Đồ án Kỹ thuật: đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông

Đồ án nghiên cứu đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Nhóm 6
• Người hướng dẫn: TS. Trương Thị Bích Liên
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Điều Hoà Nhiệt Độ Bốn Mùa Sử Dụng Năng Lượng Địa Nhiệt
• Loại tài liệu: Đồ Án Chuyên Ngành
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của Đồ án Tốt nghiệp Điện tử Viễn thông

Đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông là một môn học quan trọng trong chương trình đào tạo đại học, giúp sinh viên vận dụng toàn bộ kiến thức lý thuyết đã học vào thực tiễn. Đây là cơ hội để các em thiết kế mạch điện tử có ứng dụng thực tế, đánh giá năng lực chuyên môn và phát triển kỹ năng kỹ thuật cần thiết. Đồ án chuyên ngành không chỉ giúp sinh viên củng cố kiến thức về các mạch điện tử, điều khiển tự động, mà còn rèn luyện khả năng làm việc nhóm và giải quyết vấn đề kỹ thuật phức tạp. Thông qua quá trình thực hiện đồ án, sinh viên sẽ được tiếp xúc với các công cụ phần mềm chuyên dụng, kỹ thuật lập trình vi điều khiển, và quy trình thiết kế hệ thống điện tử hoàn chỉnh.

1.1. Mục đích của Đồ án Tốt nghiệp Điện tử Viễn thông

Mục đích chính của đồ án tốt nghiệp là tạo điều kiện để sinh viên áp dụng các kiến thức đã học trong các môn đại cương và môn chuyên ngành điện tử viễn thông. Sinh viên cần phải thiết kế hệ thống điện tử có tính ứng dụng cao, từ phân tích yêu cầu, lựa chọn linh kiện, đến mô phỏng và chế tạo phần cứng. Quá trình này giúp nâng cao kỹ năng thiết kế mạch, hiểu rõ các nguyên lý hoạt động, và chuẩn bị tốt cho việc làm sau tốt nghiệp.

1.2. Phạm vi và ứng dụng thực tế

Đồ án chuyên ngành điện tử viễn thông bao gồm các lĩnh vực: hệ thống điều khiển tự động, xử lý tín hiệu, truyền thông, điều hoà nhiệt độ, và các ứng dụng IoT. Những đồ án này thường sử dụng vi điều khiển như STM32, cảm biến thông minh, và giao tiếp dữ liệu. Các ứng dụng thực tế bao gồm hệ thống làm mát sử dụng năng lượng tái tạo, thiết bị giám sát môi trường, và các mạch điều khiển công nghiệp hiện đại.

II. Các thành phần chính trong Thiết kế Hệ thống Điện tử

Một đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Thứ nhất là phần cứng (hardware) bao gồm vi điều khiển, các cảm biến như DS18B20 và DHT11, và các linh kiện điều khiển như relay, transistor. Thứ hai là phần mềm (firmware) dùng để lập trình điều khiển hệ thống. Thứ ba là mô phỏng trên phần mềm Proteus để kiểm tra thiết kế trước khi chế tạo. Cuối cùng là thử nghiệm và hiệu chỉnh mô hình thực tế. Mỗi thành phần đều đóng vai trò thiết yếu trong quá trình phát triển hệ thống điện tử chất lượng cao.

2.1. Vi điều khiển STM32F103C8T6 và chức năng

Vi điều khiển STM32F103C8T6 là trái tim của hệ thống, có khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng với tần số xung nhịp cao. Nó có các chân GPIO để điều khiển các thiết bị ngoại vi, cổng UART để giao tiếp tuần tự, và hỗ trợ giao tiếp 1-Wire để kết nối cảm biến. Vi điều khiển này được lựa chọn vì hiệu suất cao, giá thành hợp lý, và có hỗ trợ lập trình tốt trong cộng đồng kỹ sư.

2.2. Các cảm biến và giao tiếp dữ liệu

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 và module DHT11 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm một cách chính xác. Giao tiếp 1-Wire cho phép truyền tải dữ liệu qua một dây duy nhất, giảm số lượng dây nối. Các cảm biến này được tích hợp vào hệ thống thông qua các chân I/O của vi điều khiển, cho phép hệ thống điện tử theo dõi và phản ứng với thay đổi môi trường.

III. Quá trình Thiết kế và Mô phỏng Đồ án

Quá trình thiết kế đồ án tốt nghiệp điện tử viễn thông bắt đầu từ phân tích yêu cầu thiết kế, xác định các chức năng cần thiết cho hệ thống điện tử. Tiếp theo là lựa chọn linh kiện phù hợp để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, tiêu thụ điện năng, và chi phí. Bước thứ ba là vẽ sơ đồ khối của mạch để minh họa cấu trúc tổng thể. Sơ đồ khối gồm các khối: điều khiển (vi điều khiển), đầu vào (cảm biến), và đầu ra (relay, quạt, bơm). Tiếp theo là mô phỏng trên phần mềm Proteus để kiểm tra tính khả thi của thiết kế trước khi chế tạo phần cứng. Cuối cùng là chế tạo mạch in và hàn các linh kiện để tạo ra mô hình thực tế.

3.1. Sơ đồ khối và kiến trúc Hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống cho thấy cách các thành phần kết nối với nhau. Khối điều khiển là vi điều khiển STM32, nhận tín hiệu từ các cảm biến (khối đầu vào) như DS18B20 và DHT11, sau đó xử lý dữ liệu và gửi lệnh đến các thiết bị đầu ra (relay điều khiển quạt, bơm, máy nén lạnh). Kiến trúc này cho phép hệ thống điều hoà nhiệt độ hoạt động tự động, duy trì nhiệt độ và độ ẩm trong phạm vi mong muốn.

3.2. Mô phỏng trên Proteus và thử nghiệm thiết kế

Phần mềm Proteus cho phép sinh viên mô phỏng hệ thống điện tử trước khi chế tạo thực tế, giúp phát hiện và sửa chữa lỗi sớm. Trong quá trình mô phỏng, các tín hiệu được theo dõi để đảm bảo hệ thống hoạt động đúng theo thiết kế. Sau đó, mô hình thực tế được xây dựng, gồm mạch in, các linh kiện điện tử được hàn, và tất cả được tích hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh.

IV. Lập trình Điều khiển và Kết quả Thực hiện Đồ án

Lập trình điều khiển là giai đoạn quan trọng trong đồ án chuyên ngành điện tử viễn thông, nơi sinh viên viết code để điều khiển hệ thống điện tử. Chương trình sử dụng thuật toán điều khiển PID hoặc logic tuần tự để duy trì nhiệt độ ở mức đặt. Lưu đồ thuật toán cho thấy luồng xử lý: đọc cảm biến, so sánh với giá trị đặt, sau đó điều khiển các thiết bị đầu ra. Chương trình chính chạy liên tục, trong khi các chương trình phục vụ ngắt (interrupt service routine) xử lý các sự kiện cấp bách. Kết quả thực hiện bao gồm mô hình hoàn thiện, hệ thống điều hoà nhiệt độ hoạt động ổn định, và các thử nghiệm cho thấy kết quả đạt yêu cầu đề tài. Quá trình này rèn luyện kỹ năng lập trình vi điều khiển và thiết kế hệ thống thực tế cho sinh viên.

4.1. Thuật toán điều khiển và Lưu đồ chương trình

Thuật toán điều khiển đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ DS18B20 và DHT11, so sánh với giá trị đặt (setpoint), rồi điều khiển relay để bật/tắt quạt, bơm, hoặc máy nén lạnh. Lưu đồ chương trình hiển thị các bước: khởi tạo, đọc cảm biến, tính toán, ra quyết định điều khiển, và lặp lại. Các ngắt (interrupt) xử lý các sự kiện thời gian để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và kịp thời.

4.2. Thử nghiệm Hiệu chỉnh và Đánh giá Kết quả

Thử nghiệm thực tế kiểm chứng rằng hệ thống điện tử hoạt động theo thiết kế. Sinh viên đo đạc nhiệt độ thực tế, so sánh với giá trị đặt, và hiệu chỉnh tham số nếu cần. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống điều hoà nhiệt độ duy trì nhiệt độ ổn định, phản ứng nhanh chóng với thay đổi môi trường. Báo cáo đồ án tổng kết các thành tựu, những hạn chế, và hướng phát triển trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU.1 Bảng phân chia công việc cho các thành viên trong nhóm. STT Nhiệm vụ Thời hạn Người thực hiện 1 Đề xuất ý tưởng, bầu 21/09/2022 Cả nhóm nhóm trưởng Trần Mạnh Hiếu 2 Tiến hành lập trình. 12/10/2022 Lừu Seo Lý Ngô Xuân kiên 3 Thiết kế, mô phỏng 19/10/2022 Đinh Văn Hậu 4 Hoàn thiện sản phẩm, 15/11/2022 Cả nhóm kiểm thử. Hoàn thiện viết báo 25/11/2022 Cả nhóm cáo và powerpoint.

Tìm hiểu về STM32F103C8T6 STM32F103C8T6 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ như F0, F1, F2, F3, F4,… Giá thành của STM32F103 cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự. Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng. Tổ chức phần cứng Hình LÝ THUYẾT.5 Sơ đồ chân của vi điều khiển STM32F103C8T6. Các thông số về vi điều khiển STM32F103C8T6 [4] - ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72MHz.

- Bộ nhớ: o 64K bytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình). - Clock, reset và quản lý nguồn. o Điện áp hoạt động 2. o Sử dụng thạch anh ngoài từ 4MHz -> 20MHz.

16 | P a g e o Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8MHz hoặc 40KHz. o Sử dụng thạch anh ngoài 32.768KHz được sử dụng cho RTC. - Trong trường hợp điện áp thấp: o Có các mode :ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ. o Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính.

- 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ. o Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3. o Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh. o Có cảm biến nhiệt độ nội.

- DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU. o Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART. o 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM. o 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time.

o 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi. o 1 SysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay…. - Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm: o 2 bộ I2C(SMBus/PMBus). o 1 bộ CAN interface (2.0 full-speed interface 17 | P a g e - Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.

Một số ứng dụng của STM32F103C8T6 Dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… 2. Sơ đồ khối của vi điều khiển STM32F103C8T6 Hình LÝ THUYẾT.6 Sơ đồ khối của vi điều khiển STM32F103C8T6. Tìm hiểu về một số linh kiện khác sử dụng trong hệ thống 2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm, là phiên bản chống nước, chống ẩm của cảm biến nhiệt độ DS18B20.

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao (12bit). IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình. IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data (parasite power). Cảm biến nhiệt độ này có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng bọc cáp PVC.

Đây là cảm biến kỹ thuật số nên không bị suy hao tín hiệu đường dây dài.7 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm. - Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F). - Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits. - Chuẩn giao tiếp: 1-Wire ( 1 dây ).

- Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms (khi chọn độ phân giải 12bit). - Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây. - Ống thép không gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm. - Đường kính đầu dò: 6mm.

19 | P a g e - Chiều dài dây: 1m. Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 là cảm biến kỹ thuật số dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ, rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 – Wire.8 Hình ảnh module cảm biến DHT11. [6]  Cấu tạo Cảm biến DHT11 gồm có một thành phần cảm biến nhiệt độ điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ. Tụ điện cảm biến nhiệt độ có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng.

Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự biến hóa của những mức độ ẩm. IC đo, giải quyết và xử lý những giá trị điện trở đã đổi khác này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số. 20 | P a g e  Sơ đồ chân của DHT11 Hình LÝ THUYẾT.9 Hình ảnh sơ đồ chân của DHT11 [6].2 Bảng mô tả sơ đồ chân của DHT11 [7]. Số chân Tên chân Mô tả 1 VCC Nguồn 3,5 – 5,5V 2 Data Gửi và nhận dữ liệu 3 NC Không sử dụng 4 Ground Nối đất  Thông số kỹ thuật [7] - Nguồn: 3 – 5V.

- Dòng sử dụng: 2,5 mA. - Đo tốt ở độ ẩm 2080%RH với sai số ±5%. - Đo tốt ở nhiệt độ 0 – 50 độ C với sai số ± 2 độ C. - Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần).

Tìm hiểu về giao tiếp 1-Wire Là một chuẩn giao tiếp được thiết kế bởi Dallas Semiconductor và đã được Maxim mua lại năm 2001. Đặc điểm của giao tiếp 1-Wire 1-Wire dùng một dây để truyền nhận nên có tốc độ thấp nhưng dữ liệu truyền đi lại được khoảng cách xa hơn. Chủ yếu sử dụng cho việc thu thập dữ liệu, truyền nhận dữ liệu thời tiết, nhiệt độ, công việc không yêu cầu tốc độ cao. [8] Giống như các chuẩn giao tiếp khác, 1-Wire cho phép truyền nhận dữ liệu với nhiều slave trên đường truyền.

Tuy nhiên chỉ có thể có 1 Master.10 Phương thức hoạt động của chuẩn giao tiếp 1 – Wire. Ở đây thấy được các đường dây luôn giữ ở mức cao. Các thao tác hoạt động cơ bản của bus sẽ được quy định bởi thời gian kéo đường truyền xuống mức thấp.11 Hình ảnh mô tả phương thức hoạt động của giao tiếp 1 - Wire [9].  Để 1-Wire hoạt động, sẽ có 4 phương thức được sử dụng: - Reset: Chuẩn bị giao tiếp.

Master cấu hình chân data là Output, kéo xuống 0 một khoảng H rồi nhả ra để trở treo kéo lên mức 1. Sau đó cấu hình Master là chân Input, delay I (us) rồi đọc giá trị slave trả về. Nếu bằng 0 thì cho phép giao tiếp .Nếu data = 1 đường truyền lỗi hoặc slave đang bận. Trong khoảng thời gian E(µs) tiếp theo, thiết bị Master sẽ tiến hành lấy mẫu.

Trong khoảng thời gian E(µs) này, nếu BUS ở mức 1, thiết bị Master sẽ đọc bit 1. Ngược lại, nếu BUS ở mức 0, thiết bị Master sẽ đọc bit 0.3 Bảng giá trị thời gian. [8] Parameter Speed Recommended (µs) A Standard 6 23 | P a g e Overdrive 1 B Standard 64 Overdrive 7.5 E Standard 9 Overdrive 1 F Standard 55 Overdrive 7 G Standard 0 Overdrive 2.5 H Standard 480 Overdrive 70 I Standard 70 Overdrive 8.5 J Standard 410 Overdrive 40 Để giao tiếp 1 Wire chính xác, chúng ta cần tạo ra các delay chính xác tới micro giây (us). [10] Có 2 chế độ hoạt động: [8] - Chế độ Standard – Chế độ tiêu chuẩn: o 15.

- Chế độ Overdrive – Chế độ tốc độ nhanh: o 125 Kb/s. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 3. Phân tích thiết kế 3. Yêu cầu thiết kế Với mô hình hệ thống điều hòa nhiệt độ bốn mùa sử dụng năng lượng địa nhiệt thì có các yêu cầu thiết kế sau: - Hệ thống hoạt động ổn định, chính xác.

- Sử dụng nguồn cấp 12V. - Mô hình có sử thẩm mỹ, hiệu suất làm mát tốt. Các phương pháp thiết Phương pháp 1: Sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 Ưu điểm - Là chip vi điều khiển lõi 32 bit Arm Cortex với cấu hình mạnh mẽ cho dù với phân khúc thấp nhất STM32F103x cũng có thể hoạt động lên tới 64kB Flash, 16kB RAM, 8 bộ Timer 16 bit, 1 bộ Timer 32 bit, 10 bộ ADC 12 bit, 8 bộ USART, 2 bộ SPI, 2 bộ I2C. - Dễ dàng hơn trong việc lập trình với kiến thức hiện nay của nhóm.

Nhược điểm - Giá thành đắt hơn 1 chút cho với Pic18f4520. Phương pháp 2: Sử dụng Pic18f4520 Ưu điểm - Giá thành rẻ hơn 1 chút so với vi điều khiển STM32F103C8T6. Nhược điểm - Kiến thức lập trình với Pic18f4520 của nhóm là rất kém. - Tốc độ làm việc, xử lý thấp hơn so với vi điều khiển STM32F103C8T6.

Phương pháp lựa chọn tối ưu Sau khi họp bàn giải giáp, nhóm quyết định sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 với sự tối ưu việc xử lý, điều khiển và dễ dàng hơn trong việc lập trình. Sơ đồ khối của mạch Hình THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG.12 Sơ đồ khối của mạch.  Chức năng từng khối - Khối nguồn: Cấp nguồn cho các khối trong hệ thống. - Khối đầu vào: Trả về các trạng thái của nút nhấn, đọc các giá trị từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, … rồi gửi về khối điều khiển.

- Khối điều khiển: Đọc trạng thái của nút nhấn, xử lý các giá trị nhiệt độ để điều khiển khối đầu ra. - Khối đầu ra: Nhận lệnh từ vi điều khiển để bật tắt động cơ, quạt. Sơ đồ khối chi tiết  Khối nguồn Để hệ thống có thể hoạt động, nguồn cấp là một thành phần hết sức quan trọng. Để có nguồn ổn định cấp nguồn cho mạch điều khiển thì chúng em sử dụng IC ổn áp LM7805.

27 | P a g e Hình THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG. Chúng ta sẽ cấp điện áp đầu vào qua JDC1 và lấy được điện áp 5V ở sau điện trở R2. Tụ C1 có nhiệm vụ lọc điện áp cấp cho tải tiêu thụ lấy từ chân OUT của IC 7805 và cung cấp điện áp tạm thời cho tải khi điện áp tải đột ngột sụt áp. Mạch ổn áp có chức năng tạo ra điện áp nhỏ hơn điện áp đầu vào và luôn duy trì mức áp này mặc dù đầu áp vào tăng/giảm.

 Khối điều khiển Hình THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG.14 Khối điều khiển.