Báo cáo đồ án vi xử lý - Nhà thông minh

Trường ĐH Bách Khoa Đà NẵngĐồ Án Vi Xử Lý và Máy TínhSmart RoomPhòng thông minh bật tắt đèn và quạt trong phòng khi có người trong phòng.Mạch cảm biến nhiệt độ và ánh sáng được đặt ở vị trí người ngồi để đo nhiệt độ và ánh sáng tại đó. Nếu trời tối và có người vào thì đèn sẽ được bật, nếu nhiệt độ cao và có người thì quạt được bật.Điều khiển bằng sóng RFModule RF CC1101 HshopCảm biến PIR phát hiện người trong phòng. Chuyển đổi ADC 2 kênh, Giao tiếp UART,

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BỘ MÔN MÁY TÍNH

ĐỒ ÁN VI XỬ LÝ VÀ MÁY TÍNH

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHÒNG

THÔNG MINH

Người thực hiện: Lê Thành Phú Nhóm 39

Nguyễn Thái Phương Nhóm 39

Nguyễn Phương Nam Nhóm 39

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thế Nghĩa Chữ ký:

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm chúng tôi gồm (Tôi là): Lê Thành Phú Nhóm 39

Nguyễn Thái Phương Nhóm 39

Nguyễn Phương Nam Nhóm 39

Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ sản phẩm và nội dung của bán báo cáo đồ án Vi xử lý và máy tính đều do chúng tôi thực hiện không sao chép nguyên bản của bất kỳ công trình nào có sẵn Các nội dung tham khảo đều được trích dẫn rõ ràng và được tham chiếu đến mục Tài liệu tham khảo Nếu có bất kỳ sự gian dối nào, chúng tôi (tôi) xin nhận trách nhiệm và chịu hoàn toàn các hình thức kỷ luật của Bộ môn, Khoa, Trường

Ký tên (ghi rõ họ tên): Lê Thành Phú ………

Ký tên (ghi rõ họ tên): Nguyễn Thái Phương ………

Ký tên (ghi rõ họ tên): Nguyễn Phương Nam ………

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa học công nghệ nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ và hoạt động ổn định Là những yếu tố cần thiết làm cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao Con người ngày càng có nhưng nhu cầu cao hơn cần được đáp ứng Chính vì vậy trong đồ án Vi Xử Lý này nhóm chúng em chọn đề tài : “ Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Phòng Thông Minh” sử dụng cảm biến để

đo nhiệt độ và quang trở để nhận biết ánh sáng trong phòng được đặt ở vị trí người ngồi sau đó được xử lý bởi chip MSP430G2553 truyền tín hiệu bằng sóng RF cho mạch chính, tại mạch chính sẽ nhận tín hiệu từ sóng RF thu được để điều khiển thiết bị quạt và đèn trong phòng khi có người

Sau khi hoàn thiện đồ án, nếu xử lý tốt đề tài có thể ứng dụng trong các phòng ở nơi công cộng mà không có người trực nhằm tiết kiệm năng lượng và có thể phục vụ cho mục đính công cộng một cách tốt nhất, để tài còn có thể ứng dụng trong các phòng học, phòng họp… nếu có thể phát triển thêm một số ứng dụng cần thiết khác

Đồ án được nhóm thực hiện dựa trên những kiến thức đã học được và sự hướng dẫn của thầy hướng dẫn đồ án và đặc biệt là sự nổ lực của tất cả thành viên trong nhóm để có thể hoàn thiện đồ án này

Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện bản báo cáo này nhưng trong quá trình làm không thể tránh khỏi những sai sót vì vậy nhóm rất mong được thầy, cô và các bạn góp ý kiến để nhóm

có thể hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC & KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

1.1 Yêu cầu chức năng 8

1.2 Yêu cầu phần cứng 8

1.2.1 Vi điều khiển MSP430G2553 8

1.2.2 Module RF HC – 11 sử dụng chip CC1101 9

1.2.3 Cảm biến nhiệt độ LM35 11

1.2.4 12

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ HỆ THỐNG 14

2.1 Sơ đồ khối khối mạch cảm biển và phát RF 14

2.2 Sơ đồ khối mạch thu RF và điều khiển thiết bị 15

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 16

3.1 Mạch cảm biến và phát RF 16

3.1.1 Khối xử lý trung tâm 16

3.1.2 Khối nguồn 16

3.1.3 Mạch cảm biến nhiệt độ 17

3.1.4 Mạch cảm biến ánh sáng 18

3.2 Mạch thu RF và điều khiển thiết bị 19

CHƯƠNG 4 : LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 22

4.1 Lưu đồ thuật toán bên phát 22

4.2 Lưu đồ thuật toán bên thu 23

CHƯƠNG 5: KIỂM THỬ, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KẾT LUẬN 26

5.1 Kiểm thử 26

5.1.1 Kiểm tra mạch cảm biến và phát RF 26

5.1.2 Kiểm tra mạch thu RF và điều khiển thiết bị 26

5.2 Đánh giá 27

5.3 Mô hình 27

5.4 Kết luận 29

PHỤ LỤC 30

1 Tài liệu tham khảo 30

2 Phụ luc code 30

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ chân của MSP430G2553 8

Hình 1.2: Sơ đồ khối chức năng của module CC1101 9

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của module RF sử dụng CC1101 10

Hình1.4: Module RF thực tế 10

Hình 1.5: Sơ đồ chân LM35 11

Hình 1.6: Module PIR 12

Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch phát RF 14

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch thu 15

Hình 3.1: Mạch xử lý trung tâm 16

Hình 3.2: Sơ đồ mạch khối nguồn 17

Hình 3.3: Mạch cảm biến nhiệt độ 17

Hình 3.4: Mạch cảm biến ánh sáng 18

Hình 3.5: Sơ đồ mạch thu RF và điều khiển thiết bị 20

Hình 3.6: Mạch nguồn 3.3V 20

Hình 3.7: Mạch điều khiển thiết bị 21

Hình 5.1: Mô hình phòng thông minh 27

Hinh 5.2: Thiết bị điều khiển trong phòng 28

Hình 5.3: Mạch cảm biến và phát RF 28

Hinh 5.4: Cảm biến PIR 29

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC & KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Thời gian thực hiện

Mức độ hoàn thành (%)

Lê Thành Phú

+ Thi công mạch: mạch nguồn, mạch cảm biến, mạch MCU của mạch phát RF

+ Code tổng ghép nối chương trình con, phân phối công việc cho MCU

sơ đồ nguyên lý và layout

+ Code chương trình đọc ADC 2 kênh đọc tín hiệu từ cảm bi bên phát

+ Viết báo cáo đồ án

Nguyễn Thái Phương

+ Thi công mạch thu RF: mạch nguồn, mạch cảm biến phát hiện người, mạch MCU và mạch điều khiển thiết bị

+ Code đọc ADC từ cảm biến PIR phát hiện người

+ Lắp mô hình, trang trí

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Yêu cầu chức năng

Mạch xử lý trung tâm có nhiệm vụ thu tín hiệu RF đồng thời sử dụng bộ

ện người trong phòng để

- Mạch phát RF sẽ được đặt ở vị trí người ngồi nhằm đo nhiệt độ và ánh sáng tại đó

Khi không có người trong phòng toàn bộ thiết bị sẽ không được hoạt động Khi có

người vào phòng, nếu trời tốt thì đèn sẽ được bật, và nếu nhiệt độ trong phòng cao

lớn hơn 30 độ C thì quạt sẽ được bật, ở đây nếu người sử dụng không có nhu cầu

thì có thể bật tắt quạt bằng tay

1.2 Yêu cầu phần cứng

- Sử dụng Vi điều khiên MSP430G2553 cũa hãng TI ( Texas Intruments )

- Bộ module thu phát RF CC1101

- Cảm biến nhiệt độ LM35, Cảm biến ánh sáng (quang trở) , module PIR phát hiện

chuyển động của người

- Ngoài ra còn có các linh kiện khác được sử dụng sẽ được giới thiệu trong phần

thiết kế

1.2.1 Vi điều khiển MSP430G2553

Hình 1.1: Sơ đồ chân của MSP430G2553

- MSP430G2553 là một sản phẩm phổ biến trong dòng chip “ultra-low power” của

Texas Instrument Dưới đây là một số đặc điểm của vi điều khiển này

+ MSP430 sử dụng nguồn thấp 1.8V-3.6V, tích hợp nhiều ngoại vi thông

minh, dễ sử dụng, chi phí thấp

+ Cấu trúc sử dụng nguồn thấp giúp kéo dài tuổi thọ của Pin:

- Duy trì 0.1µA dòng nuôi RAM

- Chỉ 0.8µA real-time clock

- 250 µA/ MIPS

- Bộ tương tự hiệu suất cao cho các phép đo chính xác

- 12 bit hoặc 10 bit ADC-200 kskp, cảm biến nhiệt độ, Vref ,

- 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích thước Code lập trình

- Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc

- Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành

- Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++

1.2.2 Module RF HC – 11 sử dụng chip CC1101

- Module RF là sản phẩm Texas instruments Nhiệm vụ truyền nhận tín hiệu không

dây bằng sóng RF sử dụng giao tiếp UART

- IC CC1101 là một IC thu nhận có đầy đủ chức năng của bộ thu và phát RF

Hình 1.2: Sơ đồ khối chức năng của module CC1101

Sơ đồ nguyên lý của IC CC1101 từ datasheet được nối với một Anten 50 Ohm, được phối hợp trở kháng

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của module RF sử dụng CC1101

Hình1.4: Module RF thực tế

- Các thông số kỹ thuật:

+ Module RF to UART HC-11 sử dụng chip thu phát sóng CC1101 từ Texas Instruments + Điểm ƣu việt của HC-11 là module đƣợc trang bị thêm một chip STM8 có nhiệm vụ chuyển từ giao tiếp SPI trên CC1101 sang giao tiếp UART với bộ tập lệnh dễ sử dụng, với giao tiếp UART bạn sẽ sễ dàng kết nối CC1101 với máy tính hoặc vi điều khiển, chỉ với 1 vài thiết lập đơn giản là bạn đã có thề sử dụng module

này nhƣ một bộ truyền UART không dây:

+ Điện áp hoạt động: 3v3 -> 5VDC Tần số thu phát: 433mhz

+ Giao tiếp: Serial UART

- Kết nối Module với vi điều khiển:

+ Chân 1 VCC nối với nguồn 3.3V

+ Chân 2 GND nối với chân GND của chip

+ Chân 3 RXD nối với Chân P1.2( TXD) của vi điều khiển

+ Chân 4 TXD nối với chan P1.1 (RXD) của vi điều khiển

- Mô tả:

+ Trong phạm vi đồ án nhóm sử dụng module RF HC 11 sử dụng giao tiếp UART

+ Để module có thể hoạt động các module phải có cùng kênh sóng, địa chỉ, kênh

và địa chỉ phải khác 0

+ Ở đây nhóm sử dụng module với các thông số mặc định: Baurate: 9600, stop

bits:1, parity: none, công suất phát: 10dBm

+ Sau khi kết nối module với vi điều khiển, để module hoạt động thì cần thực hiện

giao tiếp với module thông qua giao tiếp UART Module nhận đƣợc tín hiệu từ vi

điều khiển truyền sang Việc mã hóa dữ liệu và truyền nhận tín hiệu sẽ do module

thực hiện với các thông số đã thiết lập Sau khi truyền và nhận tín hiệu, ta chỉ cần

lấy tín hiệu thu đƣợc từ module để đƣa vào vi điều khiển

1.2.3 Cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 1.5: Sơ đồ chân LM35

- Thông số kỹ thuât:

+ Là một cảm biến nhiệt độ tương tự, được sử dụng phổ biến trong nhiểu ứng dụng

khác nhau

+ Nhiệt độ được xác định bằng cách đo điện áp ngõ ra của LM35

+ Điện áp ra: -1V đến 6V

+ Công suất tiêu thụ là 60u

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

+ Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C 1.2.4 Hình 1.6: Module PIR - :

+ (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động + Khi có người đi qua vùng hoạt động của cảm biến, sẽ có xung một xung ra trên chân ngõ ra của module, từ xung này ta có thể đưa vào Vi điều khiển để xủa lý + PIR HC-SR501 cảm biến chuyển động chỉnh được độ nhạy bao gồm 2 biến trở 1 biến trở điều chỉnh độ nhạy của cảm biến (có tên Sx), 1 biến trở điều chỉnh thời gian đóng của cảm biến (Tx)

+ Việc vặn biến trở về bên phải sẽ làm tăng giá trị của biến trở, vặn về bên trái sẽ làm giảm giá trị - Thông số kỹ thuât:

+ Nguồn hoạt động: 4.5V - 20V

+ Dòng hoạt động lúc nghỉ: 50uA @ 5V

+ Dòng hoạt động làm việc: 300uA @ 5V

+ Chân ra OUT không bị kích hoạt ở mức 0V (LOW), khi kích hoạt ở mức 3.3V (HIGH) + Thời gian giữ mức cao: 0.5 giây - 200 giây (điều chỉnh bằng biến trở Tx)

+ Kích thước: 32mm x 24mm x 24mm (dài x rộng x cao)

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối khối mạch cảm biển và phát RF

Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch phát RF Chức năng các khối:

- Khối nguồn: Cung cấp nguồn, điện áp phù hợp cho từng khối để mạch có thể hoạt động ổn định

- Khối Xử lý trung tâm: sử dụng chip msp430G2553, có nhiệm vụ đọc ADC từ tín

hiệu đưa vào từ mạch cảm biến sau đó gởi tín hiệu điều khiển cho module RF bằng

giao tiếp UART

- Khối mạch cảm biến: Gồm mạch cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ đo nhiệt độ

phòng, được xử lý rồi đưa vào vi điều khiển Khối mạch cảm biến ánh sáng để đo

cường độ ánh sáng trong phòng sau đó được đưa vào vi điều khiển để xử lý

- Khối phát RF: Chức năng là truyền tín hiệu không dây sử dụng sóng RF được điều khiển bằng Vi điều khiển

đó đi trên đường truyền, việc truyền tín hiệu này là liên tục

2.2 Sơ đồ khối mạch thu RF và điều khiển thiết bị

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch thu Chức năng các khối:

- Khối nguồn: Cung cấp điện áp ổn định phù hợp với từng khối để mạch có thể hoạt dộng

- Khối thu RF: Thu tín hiệu RF từ mạch phát và đưa vào vi điều khiển để xử lý

- Khối cảm biến chuyển động: Cảm biến phát hiện người trong phòng, tín hiệu ra được đưa vào vi điều khiển để xử lý

- Khối xử lý trung tâm: Xử lý toàn bộ hoạt động của mạch

- Khối điều khiển thiết bị: Bật tắt thiết bị trong phòng khối này sử dụng điện áp

xoay chiều nên tuyệt đối cẩn thận trong thiết kế và sử dụng, phải cách ly với khối

mạch vi điều khiển

Nguyên lý hoạt động:

- Mach sẽ thu tín hiệu từ bên phát gởi đến bằng module RF để đưa vào vi điều

khiển Module PIR có nhiệm vụ phát hiện người trong phòng Nếu trong phòng không có người thì khối xử lý trung tâm sẽ ngắt các thiết bị đèn và quạt trong

phòng không cho nó hoạt đông Khi có người vào phòng, nếu trời tối thì bóng đèn

sẽ được bật lên ở vị trí có người để đảm bảo ánh sáng trong phòng cho người sử dụng còn không thì đèn sẽ không được bật, nếu nhiệt độ trong phòng lớn ở đây nếu lớn hơn 30 độ C thì quạt sẽ được bật lên còn nhiệt độ trong phòng không quá nóng thì quạt sẽ không được bật

- Việc đóng ngắt thiết bị được điều khiển bằng việc đóng ngắt các Relay trong mạch

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Mạch cảm biến và phát RF

3.1.1 Khối xử lý trung tâm

Hình 3.1: Mạch xử lý trung tâm Nhiệm vụ:

- Thu tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và ánh sáng đưa vào lần lượt chân P1.6 và chân P1.7 để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

- Gửi tín hiệu qua module RF

3.1.2 Khối nguồn

Hình 3.2: Sơ đồ mạch khối nguồn Nhiệm vụ và chức năng linh kiện:

- Nguồn 3.3V cung cấp điện áp chuẩn cho vi điều khiển và module RF hoạt động

- LM7805 tạo điện áp 5V đƣa vào LM1117

- LM1117 tạo điện áp chuẩn 3.3V

- Các tụ trong mạch có nhiệm vụ lọc nguồn

3.1.3 Mạch cảm biến nhiệt độ

Hình 3.3: Mạch cảm biến nhiệt độ

- Cảm biến LM35 có nhiệm vụ đo nhiệt độ trong phòng Điện áp ngõ ra của cảm biến đƣợc đƣa vào mạch khuyết đại, để khuyết đại điện áp ra lên đủ lớn để đƣa vào

chan P1.6 của vi điều khiển

- R11 với C6 có nhiệm vụ lọc nhiễu ngõ ra của LM35

- Lm358 khuyết đại tín hiệu đƣa vào Vi điều khiển

- R8,R10 chỉnh hệ số khuyết đại phù hợp

Tính toán:

- R11 với tụ C6 lọc thông thấp chọn R11= 75Ohm và C6 = 1uF

- Chọn R8 = 1K Biến trở R10 ta chon chọn là biến trở 500 Ohm để chỉnh hệ số khuyết đại thích hợp

- Vì điện áp max vào chân của vi điều khiển là 3.3V, vì vậy ta thiết kế ở điều kiện nhiệt độ tối đa, qua mạch khuyết đại thì điện áp vào chân P1.6 không vƣợt quá 3.3V để tránh gây hỏng chip

3.1.4 Mạch cảm biến ánh sáng

Hình 3.4: Mạch cảm biến ánh sáng

Nguyên lý hoạt động và chức năng linh kiện:

- Lm358 trong mạch có nhiệm vụ là một opamp so sánh Khi trởi sáng điện trở của quang trở cở vài chục Ohm, nên điện áp vào chân số 2 của opamp nhỏ điện áp vào chân số 3 lớn hơn chân số hai, điện áp ra của opamp lúc này là Vo = 2.3V Khi trởi tối giá trị điện trở quang trở tăng cở vài MegaOhm, điện áp ngõ ra của opamp là

Vo=0V Từ giá trị ngõ ra của opamp ta đƣa vào vi điều khiển để xử lý

- R3,R5,R6 và quan g trở LDR cầu phân áp

Tính toán:

- Sử dụng Lm358 với điện áp cung cấp là VCC = 3.3V, để khi trởi sáng, điện áp ngõ

ra của opmap sẽ là Vo= VCC-1 nhƣ vậy điện áp đƣa vào vi điều khiển sẽ không

vƣợt quá 3,3V

- Chọn R3 = 100K, R5= 10K, R6= 6.2K

3.2 Mạch thu RF và điều khiển thiết bị

Nhiệm vụ của mạch : điều khiển đóng mở relay để điêù khiển quạt và đèn trong

phòng

Thành phần và tác dụng linh kiện:

- Chíp MSP430G2553 dùng để lập trình điều khiển

- Relay có tác dụng đóng mở cho áp qua relay khi điện áp kích đầu vào ở mức cao

- PC817 dùng kích áp cho relay khi áp đầu vào ở mức cao làm led tại đầu vào của PC817 sáng tạo hiệu ứng quang dẫn làm cho bjt đầu ra đƣợc kích và có áp ra

- ASM1117 dùng lấy áp ra 3.3V cấp cho vi điều khiển, các tụ lọc nguồn…

Sơ đồ mạch: