Mạch điều khiển độ sáng bóng đèn bằng tin nhắn sms

Hệ thống nhà ở thông minh đang được ưu tiên và đầu tư phát triển rộng rãi. Một trong những yếu tố quan trọng và nền móng để hướng đến phát triển một ngôi nhà thông minh hiện nay là một hệ thống chiếu sáng thông minh. Với việc các thiết bị chiếu sáng trong nhà hiện nay như bóng đèn sợi đốt, đèn Neon, đèn ngủ, đèn trang trí … được sử dụng rất nhiều. Nếu phối hợp chiếu sáng không hợp lý sẽ dẫn tới ô nhiễm ánh sáng. Ngoài ra, việc chiếu sáng không hợp lí còn gây lãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị. Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếu sáng là khá lớn, người sử dụng sẽ gặp bất tiện trong việc kiểm soát và điều khiển đèn. Vì vậy, với các trở ngại trên em đã hướng việc đến nghiên cứu và phát triển một hệ thống đèn phải đạt được các yêu cầu: thông minh, tiết kiệm và dễ dàng kiểm soát, điều khiển. Mạch điều khiển độ sáng bóng đèn bằng tin nhắn sms có full code tối đa 9 mức sáng, mạch in sản phẩm gồm các mạch nguồn điều khiển, video sản phẩm, sơ đồ kết nối, tất cả trong file zip đính kèm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*** NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Ngành:Công Nghệ Kỹ Thuật Điện tử, Truyền thông Lớp: 13141CLDTGiảng viên hướng dẫn: Nguyễn Ngô Lâm ĐT: 0908434763

4/01/2016

1 Tên đề tài: Mạch điều khiển và đo độ sáng bóng đèn bằng tin

nhắn sms

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Kiến thức cơ bản về các môn Mạch điện, Điện tử cơ bản, Điện tử

công suất, Vi xử lý

3 Nội dung thực hiện đề tài:

• Thiết kế khối nguồn

• Thiết kế hệ thống

• Mô phỏng mạch trên Proteus

• Chỉnh sửa và thi công mạch

• Viết báo cáo

4 Sản phẩm:

Mạch điều khiển và đo độ sáng bóng đèn bằng tin nhắn sms

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Trần Tú Huy MSSV: 13141623

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

Tên đề tài: Mạch điều khiển và đo độ sáng bóng đèn bằng tin nhắn sms

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Ngô Lâm

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Trần Tú Huy MSSV: 13141623

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

Tên đề tài: Mạch điều khiển và đo độ sáng bóng đèn bằng tin nhắn sms

Họ và tên Giáo viên phản biện: Phan Vân Hoàn

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

L I CÁM N Ờ Ơ

Em xin chân thành cảm ơn:

Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiệntốt nhất cho em học tập và nghiên cứu

Khoa Điện-Điện tử, thư viện trường đã cung cấp giáo trình và nhiều tài liệutham khảo cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Sự hướng dẫn và giúp đỡ chi tiết tận tình của thầy Nguyễn Ngô Lâm cùngmột số thầy cô giáo khoa Điện tử đã tận tình giảng giải và phân tích rõ về nhữngvấn đề thắc mắc trong quá tình nghiên cứu và thi công Đồ án

Mặc dù rất cố gắng trong quá trình tìm hiểu nhưng do kiến thức còn hạn chếnên không tránh khỏi những sai sót Em rất mong được sự góp ý, nhận xét đánh giá

về nội dung cũng như hình thức trình bày của các thầy cô về Đồ án của em để embiết và hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH M C T VI T T T Ụ Ừ Ế ẮI2C: inter-integrated circuit

UART: universal asynchronous receiver – transmitter

GSM: global system for mobile communications

SMS: simple message system

DLC: data link connection

UA: unnumbered acknowledgement

UIH: unnumbered information with header check (uih) command

and

UI: unnumbered information command and response

Arduino IDE: Arduino Integrated Development Environment

DANH M C B NG BI U Ụ Ả Ể

DANH M C HÌNH NH Ụ Ả

lý sẽ dẫn tới ô nhiễm ánh sáng Ngoài ra, việc chiếu sáng không hợp lí còn gâylãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếusáng là khá lớn, người sử dụng sẽ gặp bất tiện trong việc kiểm soát và điều khiểnđèn Vì vậy, với các trở ngại trên em đã hướng việc đến nghiên cứu và phát triểnmột hệ thống đèn phải đạt được các yêu cầu: thông minh, tiết kiệm và dễ dàngkiểm soát, điều khiển.

1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Để nâng cao sự tiện lợi trong việc quản lý và điều khiển đèn, điều chỉnh độsáng, đảm bảo tiết kiệm năng lượng một cách tối ưu và để tạo không gian thoảimái, phù hợp với sinh hoạt Ngoài ra, để hướng tới phát triển một hệ thống nhàthông minh, hệ thống đèn đường thông minh cũng như một thành phố thôngminh việc xây dựng một hệ thống điều khiển đèn thông minh từ xa là vô cùngcần thiết

Mạch điện mới chỉ điều khiển được một bóng đèn và thời gian delay đểđọc cường độ ánh sáng bóng đèn còn khá lâu Mạch dùng điện trở sứ nên tỏanhiệt rất nóng khi sử dụng.

1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Đề tài MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐO ĐỘ SÁNG BẰNG TIN NHẮNSMS được thực hiện với các đối tượng nghiên cứu ứng dụng như:

• Board Arduino UNO R3

• Module BH1750

• Module SIM900A mini V4

• Hoạt động của triac, opto

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan

• Chương 3: Xây dựng và thiết kế hệ thống

• Chương 4: Thi công

• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

2.1 Mạch xác định điểm 0

Mạch phát hiện điện áp điểm 0 của điện áp xoay chiều hình sin Mạch nàyxác định thời điểm khi nguồn 220V tại thời điểm về gốc tọa độ, để đồng bộ phavới tần số 50 Hz (lưới điện VN), việc đồng bộ này ứng dụng như điều khiển triac,thyritor

2.2 Điều chỉnh góc kích Triac

Tần số lưới điện nước ta là 50Hz, như vậy một chu kì 0.02s

Nửa chu kì đầu 0.01s, triac được mở nếu có xung dương kích vào cực gatecòn nửa chu kì sau tự khóa, nếu triac được kích theo chiều ngược lại, sẽ xuất hiệnđiện áp

Như vậy, ta cần điều khiển thời gian kích xung vào cực G của Triac trong0.01s là điều khiển được góc kích triac

Hình 2.1: Dạng sóng ngõ ra khi điều khiển góc kích Triac

2.3 Chuẩn giao tiếp I2C

I²C, viết tắt của từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”, là một loại bus

nối tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips Ban đầu, loạibus này chỉ được dùng trong các linh kiện điện tử của Philips Sau đó, do tínhưu

việt và đơn giản của nó, I²C đã được chuẩn hóa và được dùng rộng rãi trong các

mô đun truyền thông nối tiếp của vi mạch tích hợp ngày nay

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

I²C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:

• Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thôngthường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz)

• Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng

Sơ đồ kết nối như hình 2.2:

Hình 2.2: Sơ đồ kết nối I2C

2.4 Chuẩn giao tiếp UART

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter.Thường là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếpgiữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã đượctích hợp UART UART thường được dùng trong máy tính công nghiệp, truyềnthông, vi điều khiển, hay một số các thiết bị truyền tin khác Mục đích của UART

là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau ( ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vàoModem hay ngược lại ) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới

vi điều khiển Ở kiểu truyền này thì có 1 đường phát dữ liệu và 1 đường nhận dữliệu còn tín hiệu xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ truyền

Trong số những thứ khác, GSM hỗ trợ các cuộc gọi đi và đến giọng nói,Simple Message System (SMS hoặc tin nhắn văn bản), và truyền dữ liệu (thôngqua GPRS).

Một thiết bị sử dụng dữ liệu GPRS hoặc GSM có thể muốn nhận và truyềntải nhiều luồng dữ liệu đồng thời Đó là những dữ liệu Command (lệnh AT), dữliệu GPRS và GSM

Những dữ liệu cơ bản là độc lập nhau, do đó không đáp ứng được với chỉmột loại tín hiệu ở một kệnh trong một khoảng thời gian vì thế SIMCOM đãđược thiết kế theo tiêu chuẩn GSM0710 để có thể truyền dẫn đồng thời

Cấu trúc khung truyền dữ liệu SIMCOM

Hình 2.4: Cấu trung khung truyền dữ liệu

- Opening Flag và Closing Flag: mỗi khung bắt đầu và kết thúc với mộtchuỗi bit không đổi 0xF9

- Address Field: chứa các kết nối định dạnh liên kết dữ liệu (DLCI), bit C/R

và bit mở rộng trường địa chỉ (EA)

Hình 2.5: Cấu trúc Address Field

 Control Field: được xác định trong bảng sau

Hình 2.6: Cấu trúc Control Field

• SABM: thiết lập DLC giữa TE và MS

• UA: khung trả lời khung SABM hoặc khung DISC

• DM: khung báo cáo tình trạng kết nối dữ liệu

Hình 2.7: Cấu trúc Length Field

 Information Field: trường mang thông tin dữ liệu người dùng

4 Module sim:

Module sim được thiết kế giúp người dùng dễ dàng nghiên cứu và triểnkhai các ứng dụng liên quan đến GSM, GPRS như điều khiển, giám sát, truyền

nhận dữ liệu,…Một số loại module sim còn có tích hợp thêm hệ thống định vịGPS

Có rất nhiều loại module sim có trên thị trường như module sim 300,module sim 900, module sim 900a, module sim 908 ,

5 Tập lệnh AT

Là một lệnh thiết lập để giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị

Bảng dưới đây để trình bày một số lệnh AT cơ bản để giao tiếp giữamodule sim900 và Arduino

Bảng 2.1: Các lệnh AT cơ bản

1 AT Kiểm tra lệnh, luôn trả về "OK"

3 AT+IPR Cai đ t tốc đ giao tiếp dữ li u vơiă ô ê

module Sim 900A

L nh đưa SMS về chế đ Text , phảiê ô

co l nh nay mơi gửi nh n tin nhănê âdạng Text

Đoc m t nhăn vưa gửi đến, l nhô êđược trả về n i dung tin nhăn,ôthông tin người gửi, thời gian gửi

5.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch

5.1.1 Bộ ngẫu hợp quang điện Opto

Là một mạch tích hợp gồm có 2 linh kiện thu quang và phát quang Trong

đó, linh kiện phát quang luôn luôn là led Ứng dụng thường gặp của opto

là dùng để cách lý mạch điều khiển và mạch công suất, dùng để ngăn cácxung điện áp cao hay các phần mạch điện công suất lớn có thể làm hưhỏng các ngõ điều khiển công suất nhỏ trên một bo mạch

Hình 2.10: Hình thực tế MOC3023 Hình 2.11: Kí hiệu MOC3023

Hình 2.12: Sơ đồ chân MOC3023

Phía vào có thể dùng điện áp 1 chiều để điều khiển LED phát quang.Đầu ra là 1 con Triac cỡ nhỏ Con triac này được kích dựa vào con LEDphát quang ở đầu vào Tức là khi nào LED sáng thì con triac được kích, LED tắtthì triac cũng đóng

Bảng 2.3 : Thông số kĩ thuật MOC3023

5.1.2 Diode Zener

Là một loại diode bán dẫn làm việc ở chế độ phân cực ngược trên vùngđiện áp đánh thủng Khi phân cực ngược diode sẽ ghim một mức điện áp gần cốđịnh có giá ghi trên diode

Ứng dụng trong các mạch ổn áp, tạo áp chuẩn

Bảng 2.5: Thông số kĩ thuật BTA16

Trong đó:

+ U là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn, đơn vị Volt (V)

+ I là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn, đơn vị Ampe (A)

+ R là điện trở vật dẫn, đơn vị Ohm (Ω)

Hình 2.18: Điện trở

Mã nguồn mở cho phép ta mở rộng cũng như học hỏi dễ dàng hơn.

Hệ thống module tiêu chuẩn với mỗi module là một chức năng ( việc thiết

kế chính là kết hợp các chức năng đã chuẩn hoá)

Bảng 2.8: Thông số Arduino UNO R3

2 Điện áp hoạt động 5VDC (chỉ được cấp qua cổng USB)

8 Các cổng vào ra

Hình 2.20: Hình thực tế Arduino Uno R3Chân Digital:

• Hai 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

• 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)

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

Chân Analog:

• 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

Hình 2.21: Chip ATme328 tương ứng với chân Arduino

8.1.1 Module sim900A mini V4

Hình 2.22: Hình thực tế module SIM900A mini v4

Bảng 2.9: Thông số kĩ thuật module SIM900A mini v4

8.1.2 Module cường độ sáng BH1750 [6]

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánhsáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị trả ra làgiá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux

Hình 2.23: Hình thực tế BH1750 Bảng 2.11: Thông số kĩ thuật BH1750

o Trời mây trong nhà: 5 - 50 lx

o Trời mây ngoài trời: 50 - 500 lx

o Trời nắng trong nhà: 100- 1000 lx

8.1.3. Module giảm áp DC LM2596 3A

Hình 2.24: Module giảm áp DC LM2596 3ABảng 2.12: Thông số kĩ thuật LM2596

5 Kích thươc 45*20*14 mm

8.2 Lập trình Arduino IDE

Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment) là một trìnhsoạn thảo văn bản, giúp viết code để nạp vào bo mạch arduino

Chức năng các phím trên Arduino IDE:

Bảng 2.13: Chức năng các phím trong Arduino IDE

Verify : Kiểm tra lỗi va biên dịch codeUpload : Dịch va upload code vao bo mạch đã được cai đặtsẵn

New : Tạo sketch mơiOpen: Mở một sketch co sẵnSave: Lưu sketch

Serial Monitor: Mở serial monitor

Cấu hình Arduino IDE:

Vào menu Tools  Board  chọn Arduino Uno

Hình 2.25: Chọn board cho Arduino

Vào menu Tools  Serial Port  chọn cổng Arduino đang kết nối với máy

tính, Tools  Programmer  chọn AVR ISP

Hình 2.26: Chon cổng Arduino đang kết nối

Hình 2.27: Chon Programmer cho Arduino

Ch ươ ng 3 : XÂY D NG VÀ THI T K H TH NG Ự Ế Ế Ệ Ố

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống

• Ngõ vào nhận tín hiệu từ điện thoại qua tin nhắn

• Xác định điểm 0 của nguồn 220V để điều khiển góc kích triac

• Delay với khoảng thời gian khác nhau để tạo các mức độ sáng khác

nhau của bóng đèn

• Xác định cường độ ánh sáng bằng giá trị lux

• Dựa trên nội dung tin nhắn, khối xử lý trung tâm hoạt động để điều

chỉnh độ sáng hoặc gửi một tin nhắn về giá trị cường độ sáng vềđiện thoại

3.1.2 Sơ đồ khối

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

3.1.3 Chức năng từng khối

• Khối nhận và trả tin nhắn : Nhận tin nhắn từ điện thoại và đưa tínhiệu tin nhắn đó đến khối xử lý trung tâm để thực hiện việc điềukhiển Khi có yêu cầu kiểm tra cường độ ánh sáng, khối này sẽ gửitrả tin nhắn giá trị cường độ sáng về điện thoại

• Khối xử lý trung tâm : Nhận tín hiệu điều khiển từ tin nhắn kết hợpvới khối xác định điểm 0, tạo những khoảng thời gian trì hoãn đểđưa tín hiệu ra khối điều khiển góc mở triac Trường hợp nhận giátrị cường độ sáng từ khối đọc cường độ sáng, nó sẽ đưa giá trị đã

xử lý về khối đọc và gửi tin nhắn

• Khối xác định điểm 0 : Phát hiện điểm 0 để đồng bộ chu kì củađiện áp xoay chiều 220V với chu kì của góc mở triac

• Khối điều khiển góc mở triac : Nhận tín hiệu từ khối xử lý tín hiệu

và điều khiển hoạt động đóng ngắt của triac để điều khiển độ sángbóng đèn

• Khối đọc cường độ sáng : Đọc giá trị cường độ sáng hiện tại trongphòng, biểu thị qua giá trị lux

• Khối nguồn : Cung cấp năng lượng cho các khối hoạt động

3.2 Tính toán thiết kế

3.2.1 Khối xác định điểm 0

• Yêu cầu thiết kế : Khối này có nhiệm vụ phát hiện điểm 0 để đồng bộ chu kì của điện

áp xoay chiều 220V với chu kì góc mở của triac và chia đôi điện áp thành

2 chu kì âm và dương để điều khiển lần lượt từng chu kì âm và dương chứkhông phải cả chu kì

Ta chọn trở R3 = 1k để hạn dòng chân INVDK đi vào chân digitalcủa Arduino

Khi đó

• Sơ đồ nguyên lý :

Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý khối xác định điểm 0

• Giải thích nguyên lý :Khi tín hiệu đi n áp ê 220V qua cầu diode ta thu lại được tín hiệunhư hình 3.3 :

Hình 3.3 : Dạng sóng nguồn 220V qua cầu diode

Sau đó, dòng điện qua điện trở sứ để hạn dòng và đi tới diodezener Khi điện áp qua diode zener thì giá trị điện áp hoạt động của nóđược ghim ở mức 5V

Điện áp này trước khi đặt vào chân 1,2 của opto PC817 sẽ đượcdẫn qua điện trở 470 Ω để hạn dòng

Tại PC817, khi cung cấp điện áp 5V vào chân 1, 2 sẽ làm cho LEDsáng, nhờ vào hiệu ứng quang điện, chân 3, 4 sẽ thông làm cho điện áp tạiINVDK bằng 0, khi LED tắt, chân 3, 4 hở, điện áp tại INVDK bằng Vcc

3.2.2 Khối điều khiển góc kích triac

• Yêu cầu thiết kế:

Khối này có nhiệm vụ điều khiển góc kích triac để có thể bật tắtcũng như độ sáng đèn

• Tính toán:

Dòng điện ngõ vào MOC3023 là từ 15  30(mA)

Chọn trở R4 = 220Ω để hạn dòng ngõ vào ta có dòng vàoMOC3023

Chọn trở R5 = 470 Khi đó dòng kích cho Triac

• Thiết kế: