THIẾT kế NHÀ THÔNG MINH DÙNG PIC (có code và layout)

THIẾT kế NHÀ THÔNG MINH DÙNG PIC (có code và layout) THIẾT kế NHÀ THÔNG MINH DÙNG PIC (có code và layout) THIẾT kế NHÀ THÔNG MINH DÙNG PIC (có code và layout) THIẾT kế NHÀ THÔNG MINH DÙNG PIC (có code và layout) THIẾT kế NHÀ THÔNG MINH DÙNG PIC (có code và layout) THIẾT kế NHÀ THÔNG MINH DÙNG PIC (có code và layout)

THIẾT KẾ NHÀ THÔNG MINH

2.2.2) Ứng dụng RFID i

2.2.3) Dãi tần số hoạt động chính của RFID i

2.2.4) Module RFID RC 522 i

2.3) Màn hình LCD 16x2 i

2.4)Cảm biến nhiệt độ LM35 i

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH i

3.1) Sơ Đồ Khối i

3.2.3) Chức năng các linh kiện trong mạch i

3.3.2) Lưu đồ mạch cảm biến nhiệt độ i

CHƯƠNG 4: THỰC THI PHẦN CỨNG i

4.1) Mạch thiết kế PCB i

4.1.1) Mạch thiết kế PCB RFID i

4.1.2) Mạch thiết kế PCB cảm biến nhiệt độ i

4.2) Mạch thực tế i

4.2.1) Mạch thực tế RFID i

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN i

5.1) Kết quả đã thực hiện i

5.2) Mô tả hệ thống: i

5.3) Ưu và nhược điểm của hệ thống: i

5.4) Ứng Dụng khả thi của đề tài i

5.5) Hướng phát triển đề tài i

Hình 1.2: Biệt thự Tuxedo Park ở Atlanta, Georgia 3

Hình 1.3: Trung tâm hành chính Đà Nẵng 4

Hình 1.4: Nhà thông minh Bkav tại khu đô thị Phú Mỹ Hưng 5

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quát nhà thông minh 5

Hình 2.1: Sơ đồ chân PIC 16F877A 8

Hình 2.2: Sơ đồ khối của một hệ thống RFID 11

Hình 2.3: Module RFID-RC52 2 13

Hình 2.4: Màn hình LCD 16x2 14

Hình 2.5: LM3 5 15

Hình 3.1: Sơ đồ khối nhà thông minh 16

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch RFID 16

Hình 3.3: Mạch nguyên lý cảm biến nhiệt độ LM35 Error: Reference source not found Hình 3.4: Khối điều khiển PIC 16F877 A 18

Hình 3.5: Mạch nguồn 3.3V 1 8 Hình 3.6: Khối LCD 19

Hình 3.7: Khối module RFID 19

Hình 3.8: Khối LM35 20

Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật RFID 22

Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật cảm biến nhiệt độ 23

Hình 4.1: Mạch thiết kế PCB RFID 24

Hình 4.2: Thiết kế PCB cảm biến nhiệt độ 25

Hình 4.3: Mạch thực tế mặt trên 26

Hình 4.4: Mạch thực tế mặt dưới 27

Hình 5.1: Xu hướng nhà thông minh 30

TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH1.1) Thế nào là nhà thông minh?

Hiện nay, với những ứng dụng về khoa học phát triển ngày càng cao, trên thế giới đã bắt đầu xuất hiện những thiết bị và ứng dụng thông minh nhằm mục đích phục vụ tốt cho con người ngày càng cao Từ đó nhà thông minh là 1 trong những phát minh sáng kiến của thời công nghệ này Ngôi nhà thông minh có thể có những thiết bị tiên tiến thông minh như : Cửa tự động, cảm biến nhận diện nhiệt độ phòng, báo khói khi có sự cố xảy ra, Ngoài ra người dùng có thể kiểm soát và quản lý được những gì đang xảy ra trong nhà của mình

1.2) Hướng phát triển hiện tại trên thế giới

Ở nhiều nước phát triển, cơ sở hạ tầng hiện đại và kết cấu nhà thông minh đã được xây dựng từ lâu nên đối với con người hiện nay, nhà thông minh là 1 thứ cần thiết để giúp chođời sống tiện nghi và tốt hơn

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất cung cấp dịch vụ nhà thông minh Nổi bật là Home Automation Inc (HAI- Nay là Leviton security & Automation), ELK, Vantage, Contro14

Những khung cửa sổ của ngôi nhà này rất đặc biệt, được chạm khắc hình ảnh 4 chiếcđồng hồ khổng lồ, và cả bốn chiếc đồng hồ này vẫn đang hoạt động bình thường Ngoài

ra, ngôi nhà được trang bị các hệ thống kỹ thuật số với hệ thống điều khiển Crestron kiểmsoát ánh sáng, nhiệt, điều hoà không khí, nghe/nhìn và bóng râm

Ngôi nhà xây theo dạng tầng mái có 3 phòng ngủ này không phải là nhà “ thông minh

“ nhất thế giới, nhưng là một trong những ngôi nhà hiện đại nhất – nó là một cái tháp đồng hồ của một nhà máy đã có 98 năm tuổi

Hình 1.2: Biệt thự Tuxedo Park ở Atlanta, Georgia

Hầu như mọi căn phòng trong ngôi nhà có 7 phòng ngủ, 13 phòng tắm này đều kết nối với hệ thống bảo mật và âm nhạc, được trang bị cáp CAT5, hệ thống tổng đài điện thoại PBX và truy cập Internet tốc độ cao Ngoài ra, căn nhà cũng có hệ thống nhiệt/làm mát công nghệ cao và các cửa sổ điều chỉnh nhiệt cùng chức năng cách nhiệt hữu dụng

1.3) Xu hướng nhà thông minh ở nước ta

Vào những năm 2004 đại diện tập đoàn công nghê Bkav đã tham gia vào việc phát triển các thiết bị phần mềm SmartHome Trong vài năm gần đây nhà thông minh bắt đầu phổ biến hơn, có những công ty bắt đầu tham gia vào phát triển thị trường nhà thông minh

Nhưng nhìn chung hiện nay chưa có công ty nào ở Việt Nam cung cấp hoàn thiện các giải pháp về nhà thông minh nhưng tuy vậy đã có những công ty đã đồng bộ, tổng thể cácgiải pháp điều khiển nhà thông minh Điển hình như:

Hình 1.3: Trung tâm hành chính Đà Nẵng

Hình 1.4: Nhà thông minh Bkav tại khu đô thị Phú Mỹ Hưng

1.4) Mô hình tổng quan chung của nhà thông minh.

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quát nhà thông minh

Như sơ đồ ta thấy con người có thể sử dụng internet để kết nối và điều khiển các thiết bị thông minh trong ngôi nhà, có thể hỗ trợ qua điện thoại bằng sms hoặc thông báo trên smart phone Đây là những giải pháp thuận tiện cho chúng ta có thể kiểm soát ngôi nhà thân yêu.

CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI2.1) Vi điều khiển PIC 16F877A

PIC viết tắt là “Programmable Intelligent computer” do hãng General Instrument đặt

tên cho con vi điều khiển đầu tiên của hãng Micrchip tiếp tục phát triển sản phẩm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 các loại sản phẩm khác nhau

Hiện tại dòng PIC 16f877A là dòng khá phổ biến, đầy đủ các tính năng để phục vụ hết các nhu cần cần thiết cho những ứng dụng đời sống Là một trong những dòng PIC dễ sử dụng nhất

PIC 16F877A thuộc họ vi điều khiển 16Fxxx có các đặt tính sau:

- Ngôn ngữ lập trình đơn giản với 35 lệnh có độ dài 14 bit

- Tất cả các câu lệnh thực hiện trong 1 chu kì lệnh ngoại trừ 1 số câu lệnh rẽ nhánhthực hiện trong 2 chu kì lệnh Chu kì lệnh bằng 4 lần chu kì dao động của thạchanh

- Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words, với khả năng ghi xoá khoảng 100 ngànlần

- Bộ nhớ Ram 368x8bytes

- Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes

- Khả năng ngắt (lên tới 14 nguồn cả ngắt trong và ngắt ngoài)

- Ngăn nhớ Stack được chia làm 8 mức

- Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

- Dải điện thế hoạt động rộng: 2.0V đến 5.5V

- Nguồn sử dụng 25mA

- Công suất tiêu thụ thấp: <0.6mA với nguồn 5V, 4MHz; 20uA với nguồn 3V, 32kHz

- Có 3 timer: timer0, 8 bit chức năng định thời và bộ đếm với hệ số tỷ lệtrước.Timer1, 16 bit chức năng bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước, kíchhoạt chế độ Sleep.Timer2, 8 bit chức năng định thời và bộ đếm với hệ số tỷ lệtrước và sau.

- Có 2 kênh Capture/ so sánh điện áp (Compare)/điều chế độ rộng xung PWM 10 bit/ (CCP)

- Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

- Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I2C (chủ/phụ).Bộtruyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bitđịa chỉ

Hình 2.1: Sơ đồ chân PIC 16F877A

Theo sơ đồ ta thấy PIC có 40 chân gồm :

- Chân (1) MCLR/VPP: MCLR có chức năng ngõ vào resest Vpp ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC.

- Chân (2)(3)(4)(5): có 2 chức năng

- RA0,1,2,3: xuất/nhập dữ liệu

- AN 0,1,2,3: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2,3

- CVREF+: ngõ vào điện áp chuẩn thấp, cao của bộ AD

- Chân (6) RA4/TOCK1/C1OUT: xuất/nhập dữ liệu và là ngõ vào xung clock cho timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1

- Chân(7) RA5/AN4/SS/C2OUT: xuất nhập dữ liệu, ngõ vào tương tự kênh / ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ngõ ra bô so sánh 2

- Chân (8) RE0/ /AN5: điều khiển ghi port song song, ngõ vào tương tự 5

- Chân (9) RE1/ /AN6: điều khiển ghi port song song, ngõ vào tương tự 6

- Chân (10) RE2/ /AN7: chân chọn lựa port điều khiển song song, ngõ vào tương tự 7

- Chân VDD(11)(32) và VSS(12)(31): là chân cấp nguồn và mass cho PIC

- Chân OSC1/CLK1 (13) và OSC2/CLK2 (14) : ngõ vào dao động thạch anh hoặc ngõ vào nhận xung clock

- Chân (15) RC0/T1OCO/T1CKI: ngõ vào bộ giao động Timer 1/ ngõ vào xung clock Timer 1

- Chân (16) RC1/T1OSI/CCP2: ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2

- Chân (17) RC2/CPP1: Xuất nhập ngõ vào Capturel, ngõ ra compare 1, ngõ ra PWM1

- Chân (18): ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bô, ngõ ra chế độ SPI, ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C.

- Chân (19) RD0/PSP0: xuất nhập dữ liệu port

- Chân (23) RC4/SDI/SDA: dữ liệu vào SPI và xuất dữ liệu I2C

- Chân (24) RC5/SDO: dữ liệu ra SPI

- Chân (25) RC6/TX/CK: truyền bất đồng bộ UART, xung đồng bộ UART

- Chân (26) RC7/RX/DT: xuất nhập bất đồng bộ UART

- Chân (33) RB0/INT: ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài

- Chân (36) RB3/PGM: cho phép lập trình điện áp thấp ICSP

- Chân (40) RB7/PGD: gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP

2.2) Công nghệ RFID

2.2.1) Giới thiệu công nghệ RFID

RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ cho phép đọc thông tin chứa

trong chip xử lý nhận dữ liệu ở khoảng cach xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp Côngnghệ tiên tiến này giúp ta truyền và nhận dữ liệu ở khoảng cách xa mà không cần nhập dữliệu

Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần số sóng vô tuyến đểtruyền và nhận dữ liệu từ các thẻ đến các bộ đọc Tag có thể được gắn vào các thiết bịnhận dạn như thẻ xe, sản phẩm công nghiệp, điện tử, thức ăn… Reader scan dữ liệu củaTag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ máy chủ

Mô hình đơn thuần được sử dụng nhiều nhất hiện nay là hệ thống RFID bị động có cơcấu làm việc: Reader truyền 1 tín hiệu có tần số vô tuyến điện từ qua anten của nó đếnmột con chip sau đó Reader nhận thông tin lại từ chip rồi sẽ gửi nó đến máy chủ để điềukhiển và xử lý thông tin nhận được thì chip Các chip không tiếp xúc với nhau qua lớp vậtlý, hoạt động bằng cách sử dụng nặng lượng nhận từ tín hiệu gửi bởi Reader

Hình 2.2: Sơ đồ khối của một hệ thống RFID

Một hệ thống RFID bao gồm các thành phần sau:

- Thẻ (Tags): là thành phần bắt buộc đối với mọi hệ thống RFID

Bao gồm: chip bán dẫn nhỏ và anten thu nhỏ trong một số hình thức đóng gói

- Đầu đọc (Reader): là thành phần bắt buộc, thực có nhiệm vụ đọc, ghi dữ liệu lên Tag và

giao tiếp với máy chủ

- Ăngten (Antena): làm nhiệm vụ bức xạ, thu sóng điện từ và gia công tín hiệu.

- Mạch điều khiển (Controller): là thành phần bắt buộc, tuy nhiên hầu hết Reader mới

đều có thành phần này gắn liền với chúng giao tiếp điều khiển các chức năng của Reader,Annunciator và cơ cấu chấp hành kết hợp với Reader

- Cảm biến (sensor): là cơ cấu chấp hành (actuator) và bảng tín hiệu điện báo

(annunciator): hỗ trợ xuất và nhập của hệ thống

- Bộ điều khiển hoạt động RFID.

2.2.2) Ứng dụng RFID

Trong công nghiệp được sử dụng để xác định giá cả sản phẩm, đếm sản phẩm.

- Trong kinh doanh các cửa hàng có thể sử dụng để kiểm tra các mặt hàng có nguồngốc rõ ràng và số lượng còn

- Về an ninh lợi thế của RFID là có thể hoạt động bình thường ở thời tiết khắcnghiệt với tốc độ xử lý tương đối tốt

- Trong các lĩnh vực về y tế, giáo dục, giải trí: có thể cho các bệnh nhana đeo vòngtay RFID để kiểm tra, trong giáo dục thì có thể đeo theo để biết học sinh đã tớitrường an toàn

Trong xây dựng thì điển hình là thiết kế nhà thông minh ( smart home )

2.2.3) Dãi tần số hoạt động chính của RFID

- Tần số thấp - Low frequency 125Khz

- Tần số cao – High frequency 13.56 Mhz : chủ yếu sử dụng tần số này

- Siêu cao tần – UHF frequency 860-960 Mhz

- Vi sóng – Microwave 2.45-5.8 Ghz

2.2.4) Module RFID RC 522

Hình 2.3: Module RFID-RC522

- Chân (1) SDA(CS): là chân giao tiếp SPI ( mức thấp )

- Chân (2) SCK: là chân kích xung cho giao tiếp SPI

- Chân (3) MOSI(SDI): Master Data Out- Slave In của giao tiếp SPI

- Chân (4) MISO(SDO): Master Data In- Slave Out của giao tiếp SPI

- Chân (5) IRQ: là chân ngắt

- Chân (6) GND: chân nối mass

- Chân (7) RST: Chân resest module

- Chân (8) 3.3V: Chân nối nguồn 3.3VDC

Module RFID-RC522 là một mạch Arduino có kích thước nhỏ gọn 40x60mm hoạtđộng ở tần số 13.56Mhz là tần số high frequency hoạt động ở khoáng cách khá ngắn chỉcó từ 0 đến 60mm Hoạt động bằng giao thức SPI và hoạt động bằng nguồn cấp 3.3Vdc.Tuy nhiên có tốc độ truyền dữ liệu khá ổn 10Mbit/s Hoạt động cùng với thẻ Tag là 1 loạithẻ từ có gắn chip dữ liệu

Nguyên lý hoạt động: khi kết nối nguồn cho module thì thiết bị RFID reader sẽ phát

ra sóng điện từ, nếu như thẻ Tag của chúng ta nằm trong vùng hoạt động tần số của

reader thì lúc này thẻ Tag sẽ phát ra tín hiệu phản hồi và truyền dữ liệu nhận được từ thẻ Tag cho reader Mã thẻ Tag có độ dài 32 bit nên tỉ lệ các số khác nhau rất cao, mức độ bảo mật rất tốt.

2.3) Màn hình LCD 16x2

Hình 2.4: Màn hình LCD 16x2

LCD viết tắt là Liquid Crystal Display

Có tổng cộng 16 chân:

- Chân 1 VSS: nối mass

- Chân 2 VDD: Cấp nguồn 5v DC

- Chân 3 VEE: Nối với biến trở để điều chỉnh độ tương phản LCD

- Chân 4 RS: Register select chọn thanh ghi

- Chân 5 RW: Chân chọn chế độ đọc/ghi

- Chân 6 EN: Enable chân cho phép

- Chân 7-14 D0-D7: Các chân truyền trao đổ thông tin với bộ điều khiển

- Chân 15 A: nối nguồn cho backgroud.

- Chân 16 K: nối mass cho backgroud

2.4)Cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 2.5: LM35

Là loại cảm biến tích hợp trong IC Hoạt động của cảm biến dựa vào độ nhạy của chất bán dẫn với nhiệt độ tự nhiên Tạo ra sự chênh lệch điện áp hoặc dòng điện để sau đó ta tính ra giá trị nhiệt độ Hoạt động dựa theo nguyên lý khi nhiệt độ tăng thì các electron bắt đầu hoạt động di chuyển khi đó các electron sẽ di chuyển qua các lỗ trống trong chất bán dẫn trong LM35

Đặc biệt LM35 có thể hoạt động chịu nhiệt đến 1500 C Mỗi mức điện áp 10mV sẽ tương ứng với 10 C

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH3.1) Sơ Đồ Khối

Hình 3.1: Sơ đồ khối nhà thông minh.

3.2) Sơ đồ nguyên lý đề tài

3.2.1) Mạch nguyên lý RFID

Khối điều khiểnPIC 16F877A

Khối điều khiểnPIC 16F877A

Cửa ra vào dùng RFID

Cửa ra vào dùng RFID

Thiết bị đo nhiệt độ phòng

Thiết bị đo nhiệt độ phòng

Nguồn 5VdcNguồn 5Vdc

3.2.2) Mạch nguyên lý cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 3.3: Mạch nguyên lý cảm biến nhiệt độ LM35

3.2.3) Chức năng các linh kiện trong mạch

3.2.3.1) Khối điều khiển PIC 16F877A