Đồ-Án 2 Nghĩa.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN 2 Đề Tài Nhà thông minh sử dụng Aruino Giảng viên hướng dẫn Ts Hoàng Anh Dũng Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Nghĩa MSV 20A17010126 Nguyễn Long Nhật M[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN 2

Đề Tài : Nhà thông minh sử dụng Aruino

Giảng viên hướng dẫn : Ts Hoàng Anh Dũng

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Nghĩa MSV: 20A17010126 Nguyễn Long Nhật MSV: 20A17010071 Bùi Văn Quang MVS: 20A17010115 Lớp: K23D

ngày tháng năm 2023

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

★★★

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

NỘI DUNG 5

Chương 1: Tổng quan về nhà thông minh 5

1 Tổng quan về nhà thông minh 5

2 Smart home tại Việt Nam 6

Chương 2 : Giải quyết vấn đề 7

1 Lựa chọn hướng thiết kế 7

1.1 Sơ đồ ngôi nhà 7

1.2 Chức năng 8

1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 8

2 Các linh kiện cần thiết cho dự án 9

2.1 Tìm hiểu về các linh kiện cần thiết 9

2.2 Tìm hiểu IC ATMEGA328 họ 8 bit 13

2.3 Sơ đồ chân Atmega328p 14

2.4 Module giao tiếp UART ATmega328P 16

2.5 Giao thức SPI ATmega328P 17

2.6 Kênh chuyển đổi tín hiệu analog sang digital 17

3 Cảm biến vật cản hồng ngoại 18

4 Relay 5v 1 kênh 20

5 Module bluetooth HC-05 21

6 LED 5v 22

7 Nguồn pin 12v 23

8 Quạt 23

9 Bread Board 24

10 Động cơ servo 25

11 Phần mềm thực hiện đồ án 26

11.1 Proteus (Phần mềm mô phỏng mạch điện tử) 26

11.2 Arduindo 27

Chương 3: Thiết kế và thi công 28

1 Mô phỏng trên proteus 28

2 Nguyên Lý Hoạt Động 29

2.1 Nguyên lý 29

2.2 Lưu đồ thuật toán 30

2.3 Thi Công Mạch Thật 32

2.4 Lập trình code 34

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển đề tài 39

1 Kết luận 39

2 Lời cảm ơn 40

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ và đánh dấu

sự mở đầu của những thiết bị thông minh Smart phone, Smart Tivi đều là những thiết bị ngày càng phổ biến, thông dụng trong đời sống hằng ngày của con người Đúng như tên gọi, những thiết bị này không những có khả năng đáp ứng những yêu cầu cơ bản của con người, mà còn hơn thế, các thiết bị smart ra đời đã thay thế con người trong việc kiểm soát và điều khiển các chức năng khác 1 cách

chuyên nghiệp, dễ dàng và hiệu quả

Tiếp nối thành công của những thiết bị thông minh ấy, Smart home ra đời như một sự khởi đầu táo bạo về tư duy làm chủ công nghệ ngay trong cuộc sống của con người Một ngôi nhà thông minh với khả năng thấu hiểu tư duy điều khiển của con người nhanh chóng trở thành đề tài công nghệ có sức hấp dẫn

Nhà thông minh hay smart home, home automation là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giáo tiếp với chủ nhân nhà thông qua bẳng điện tử được đặt sẵn trong nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web Nhóm em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử

đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho chúng em trong thời gian chúng em học trong trường Đặc biệt nhóm em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy

Hoàng Anh Dũng đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ cũng như tạo điều kiện thuận

lợi nhất để nhóm em có thể hoàn thành tốt đề tài này

Sinh viên thực hiện

NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan về nhà thông minh

1 Tổng quan về nhà thông minh

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó , ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài

ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lí một cách thông minh nhất

Nhà thông minh sử dụng bluetooth

Hiện nay, nhà thông minh đã và đang là một thị trường tiềm năng với thị trường toàn cầu lên đến con số tỉ đô Không những vậy, chỉ riêng thị trường Bắc Mỹ, theo các con số thống kê, hoàn toàn là có cơ sở để nhận định rằng đây chính là tương lai của một ngôi nhà mà chúng ta cần phải có

Được sự gợi ý của thầy Hoàng Anh Dũng chúng em quyết định chọn đề

tài “ Nhà thông minh sử dụng arduino điều khiển các thiết bị bằng kết nối

2 Smart home tại Việt Nam

Tại Việt Nam, không đứng ngoài dòng chảy công nghệ về nhà thông minh,

đã có rất nhiều nhà sản xuất cũ và mới tham gia thị trường đầy tiềm năng này, dẫn đầu là BKAV và Lumi Smarthome Với đầy đủ các chức năng như các nhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường Việt Nam, hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ so với các nhà sản xuất nước ngoài tại Việt Nam

Mô hình smart home của BKAV

Mô hình nhà thông minh của Lumi smarthome

Chương 2 : Giải quyết vấn đề

1 Lựa chọn hướng thiết kế

Nhà thông minh là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra Tùy theo mục đích sử dụng của chủ nhân để thiết kế, một phần quan trọng trong hệ thống nhà thông minh là hệ thống điều khiển

Module HC-05 và ESP8266 là hai loại module khác nhau với các tính năng

và ứng dụng khác nhau, do đó lựa chọn giữa hai loại module này phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của bạn

Module HC-05 là một module Bluetooth với khả năng kết nối không dây đơn giản và thuận tiện với các thiết bị khác Nó có thể được sử dụng để thiết kế các ứng dụng như điều khiển từ xa, thu thập dữ liệu từ các cảm biến hoặc kết nối các thiết bị không dây khác

Trong khi đó, ESP8266 là một module Wi-Fi với khả năng kết nối internet

và cung cấp một môi trường lập trình đầy đủ cho các ứng dụng IoT Nó có thể được sử dụng để thiết kế các ứng dụng như cảm biến thông minh, hệ thống kiểm soát nhà thông minh, hoặc các ứng dụng IoT khác

Vì vậy, đồ án 2 chỉ cần kết nối không dây đơn giản giữa các thiết bị, thì module HC-05 có thể là một lựa chọn tốt Tuy nhiên, nếu như cần thiết kế các ứng dụng IoT phức tạp và cần kết nối với internet, thì ESP8266 sẽ là lựa chọn tốt hơn

1.1 Sơ đồ ngôi nhà

Từ một ngôi nhà thông thường, chúng

em lựa chọn thiết kế ra một mô hình cơ

bản dành cho 1 gia đình, với thiết kế

Khối xử lý (Arduino)

Module bluetooth

Khối chấp hành

Sơ đồ nguyên lý hoạt động

2 Các linh kiện cần thiết cho dự án

2.1.1 Một vài thông số của arduino uno R3

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

2.1.3 Các chân năng lượng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng

các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với

việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

• 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn

khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

• 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only

Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi

dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như

dữ liệu trên SRAM

2.1.5 Các cổng vào/ra

o Arduino UNO có 14 chân digital

dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu

Chúng chỉ có 2 mức điện áp là

0V và 5V với dòng vào/ra tối đa

trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi

chân đều có các điện trở pull-up

từ được cài đặt ngay trong vi

điều khiển ATmega328 (mặc

định thì các điện trở này không

được kết nối)

o Một số chân digital có các chức năng

đặc biệt như sau:

• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận

(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết

bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với

độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp

ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm

nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân

số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

• Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân

AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng

các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

2.2 Tìm hiểu IC ATMEGA328 họ 8 bit

• ATmega328P là một trong những vi điều khiển công nghệ AVR hiệu suất cao với số lượng chân cắm và tính năng lớn

• Được thiết kế bằng công nghệ CMOS 8-bit và CPU RSIC giúp nâng cao hiệu suất và tối ưu mức sử dụng năng lượng nhờ có chế độ ngủ tự động và cảm biến nhiệt độ bên trong

• ATmega328P có mạch bảo vệ bên trong và có nhiều cách lập trình giúp các

kỹ sư sử dụng linh hoạt ở các tính huống khác nhau IC hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp hiện đại cho các module khác và chính bộ vi điều khiển, đó là

lý do tại sao ATmega328P được sử dụng phổ biến

2.3 Sơ đồ chân Atmega328p

Chi tiết cấu hình chân

* Chân I/O digital:

Bộ vi điều khiển này có ba cổng digital (B, C, D) là PORT B, PORT C và PORT D Tất cả các chân này có thể được sử dụng làm I/O digital Trên hết, mỗi cổng có thể được sử dụng cho các chức năng khác Để sử dụng làm I/O hoặc cho các chức năng khác, phải được xác định trước vì các chân không

có chức năng mặc định

Các chân I / O digital của bộ điều khiển là:

• PB0 – GPIO14

• PD7 – GPIO13

* Chân ngắt

Hầu hết các chức năng điều khiển đều yêu cầu hệ thống ngắt hoạt động như

bộ điều chỉnh độ sáng AC, v.v ATmega328P hỗ trợ 2 bộ ngắt trong bộ điều khiển được sử dụng để báo thực thi sự kiện trong CPU bất cứ lúc nào Các chân ngắt của ATmega328P được đưa ra dưới đây:

• IN0 – GPIO4

• IN1 – GPIO5

2.4 Module giao tiếp UART ATmega328P

Mặc dù có nhiều giao thức trong các thiết bị và module nhưng phổ biến nhất

là USART Đây là một trong những giao thức đơn giản và dễ thực hiện và

dễ hiểu nhất Trong giao thức này, hai dây được sử dụng để gửi và nhận dữ liệu Các chân USART của vi điều khiển ATmega328P là:

• RX – GPIO2

• TX – GPIO3

Dữ liệu được gửi theo tốc độ gửi được xác định trong bộ điều khiển nhưng cũng có thể sử dụng chân xung clock bên ngoài để giữ xung nhịp đồng bộ hóa dữ liệu

• XCK – GPIO6

Giao tiếp USART / UART có thể được sử dụng để lập trình vi điều khiển

2.5 Giao thức SPI ATmega328P

Là một trong những giao thức nối tiếp tốt nhất trong trường hợp có nhiều thiết bị ngoại vi Giao thức SPI cho phép nhiều thiết bị sử dụng cùng một kênh để giao tiếp

Có bốn dây, hai dây để gửi dữ liệu và một dây cho xung clock và dây thứ tư được sử dụng để chọn thiết bị ngoại vi muốn giao tiếp Trong trường hợp có nhiều thiết bị ngoại vi, số lượng các chân SS sẽ tăng lên Các chân SPI của

2.6 Kênh chuyển đổi tín hiệu analog sang digital

Trong ATmega328P có 6 kênh ADC được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog sang digital Đầu tiên cần kích hoạt bộ chuyển đổi analog bằng chân cấp nguồn (AVCC) của nó Các kênh ADC sử dụng điện áp nguồn cấp làm tham chiếu để xác định các mức giá trị khác nhau của tín hiệu analog Các chân analog của bộ điều khiển là:

• ADC0 – GPIO23

• ADC1 – GPIO24

• ADC2 – GPIO25

• ADC3 – GPIO26

• ADC4 – GPIO27

• ADC5 – GPIO28

• AVCC – Chân 20

3 Cảm biến vật cản hồng ngoại

 Cảm biến vật cản hồng ngoại tên Tiếng

anh là Passive Infrared, hay còn được gọi

là IR Sensor Là một thiết bị điện tử có

khả năng đo và phát hiện được bức xạ

hồng ngoại trong môi trường xung

quanh Vì bước sóng của IR Sensor dài

hơn ánh sáng khả kiến Nên cảm biến

hồng ngoại phát ra các tia vô hình đối với

mắt người Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt

đều sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại

 Ánh sáng hồng ngoại là ánh sáng không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nó có bước sóng λ = 0,8 µm -> 0,94 µm, tia hồng ngoại có vận tốc bằng vận tốc ánh sáng

 Tia hồng ngoại dễ bị hấp thu, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển từ

xa, chum tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó khi thu phát phải đúng hướng

 Ứng dụng của tia hồng ngoại được sử dụng rộng rãi vì dễ tạo ra và không bị ảnh hưởng bởi đện từ Vì vậy, nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như là liên lạc và điều khiển Tuy nhiên nó rất dễ bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời và những vật bức xạ nhiệt

 Thông số kĩ thuật:

4 Relay 5v 1 kênh

Mô tả chung:

- Module Relay 5V 1 Kênh được dùng như

một công tắc điện , dùng để điều khiển các

thiết bị công suất lớn ( đèn, động cơ, .)

- Module Relay 5V 1 Kênh gồm 1 rơ le hoạt

động tại điện áp 5VDC, 12VDC chịu được

hiệu điện thế lên đến 250VAC 10A Module relay 1 kênh được thiết kế chắc chắn, khả năng cách điện tốt

 Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA

 Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,

57600, 115200

 Support profiles: Bluetooth serial port (master and slave)

 Bluetooth protocol: Bluetooth specification v2.0 + EDR

 Modulation: GFSK (Gaussian frequency shift keying)

 Transmit power: =4 dBm, class 2

 Thiết lập UART mặc định: Baudrate 9600, N, 8, 1

 Pairing code mặc định: 1234 hoặc 0000

nháy 2s baud rate cho chế đọ AT COMMAND là 38400 Chân Tx nối với chân Rx Lưu ý các lệnh AT đều là chữa in hoa

 Cấp nguồn và không nhấn nút sẽ chạy bình thường LED sẽ nháy nhanh

AT COMMAND

6 LED 5v

LED (viết tắt của light-emitting diode, có

nghĩa là diode phát sáng hoặc diode phát

quang) là các diode có khả năng phát ra

ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại

Cũng giống như diode, LED được cấu tạo

từ một khối bán dẫn loại

P ghép với một khối bán dẫn loại N