Đồ án HCMUTE: Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà

Khám phá đồ án HCMUTE về điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà, ứng dụng công nghệ hiện đại và giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

• Tác giả: Bùi Gia Thuyết
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trường Duy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ
• 2.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.3. GIỚI THIỆU VỀ KIT ARDUINO MEGA 2560
• 2.4. MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu hệ thống

Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện thông minh trong nhà được thiết kế nhằm nâng cao tiện ích và an toàn cho người sử dụng. Hệ thống này sử dụng công nghệ IoT để kết nối và điều khiển các thiết bị điện như đèn, quạt, và các thiết bị khác thông qua một ứng dụng trên điện thoại. Việc sử dụng cảm biến thông minh giúp hệ thống có khả năng tự động hóa và giám sát tình trạng hoạt động của các thiết bị, từ đó tiết kiệm năng lượng và tăng cường an ninh cho ngôi nhà. Hệ thống này không chỉ giúp người dùng dễ dàng quản lý thiết bị mà còn cung cấp thông tin thời gian thực về tình trạng hoạt động của các thiết bị.

1.1. Công nghệ IoT trong hệ thống

Công nghệ IoT đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị điện trong nhà. Hệ thống sử dụng các module như Bluetooth để giao tiếp giữa điện thoại và các thiết bị điều khiển. Điều này cho phép người dùng có thể điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà một cách dễ dàng và thuận tiện. Hệ thống cũng tích hợp các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và khí gas để giám sát môi trường sống, từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời khi có sự cố xảy ra.

II. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp và xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống. Hệ thống sử dụng kit Arduino Mega2560 làm trung tâm điều khiển, kết hợp với các cảm biến và module khác để thực hiện các chức năng điều khiển và giám sát. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế rõ ràng, giúp dễ dàng trong việc lắp ráp và kiểm tra. Các thiết bị đầu vào như nút nhấn và cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến Arduino, trong khi các thiết bị đầu ra như màn hình LCD và relay sẽ nhận lệnh từ Arduino để thực hiện các chức năng điều khiển.

2.1. Các linh kiện sử dụng

Hệ thống sử dụng nhiều loại linh kiện khác nhau, bao gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến khí gas MQ2, và màn hình LCD 16x2. Mỗi linh kiện đều có vai trò riêng trong việc thu thập dữ liệu và hiển thị thông tin. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống mà còn giúp tiết kiệm chi phí và năng lượng tiêu thụ. Các linh kiện này được kết nối với nhau thông qua các chuẩn giao tiếp như UART và I2C, tạo thành một hệ thống đồng bộ và hiệu quả.

III. Ứng dụng thực tiễn

Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện thông minh có nhiều ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống hàng ngày. Người dùng có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị điện trong nhà thông qua điện thoại, từ đó nâng cao sự tiện lợi và an toàn. Hệ thống cũng giúp người dùng theo dõi tình trạng hoạt động của các thiết bị, từ đó có thể đưa ra các quyết định kịp thời để bảo vệ tài sản. Ngoài ra, việc tích hợp các cảm biến thông minh giúp nâng cao khả năng tự động hóa trong ngôi nhà, tạo ra một môi trường sống thông minh và hiện đại.

3.1. Lợi ích của hệ thống

Hệ thống mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, bao gồm tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh và cải thiện chất lượng cuộc sống. Việc giám sát và điều khiển thiết bị từ xa giúp người dùng có thể quản lý tài sản của mình một cách hiệu quả hơn. Hệ thống cũng có khả năng cảnh báo khi có sự cố xảy ra, như rò rỉ khí gas, từ đó bảo vệ an toàn cho gia đình. Nhờ vào công nghệ tự động hóa, người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh các thiết bị theo nhu cầu sử dụng, tạo ra một không gian sống thoải mái và tiện nghi.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật và ngành công nghiệp điện tử phát triển, nhu cầu ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động và thông minh vào đời sống dân dụng ngày càng gia tăng. Tại Việt Nam, các mô hình nhà thông minh (Smart Home) và thiết bị điều khiển tự động trong gia đình đang dần nhận được sự quan tâm lớn. Trước giai đoạn thực hiện đề tài, các nghiên cứu của sinh viên thường tập trung vào phương thức điều khiển qua tin nhắn SMS hoặc sóng vô tuyến RF, sử dụng các dòng vi điều khiển như PIC hoặc ARM. Sự ra đời của các dòng vi điều khiển 8-bit, 16-bit và 32-bit từ các nhà sản xuất như Atmel, Microchip, STMicroelectronics đã mang lại nhiều giải pháp mới. Trong đó, dòng vi điều khiển ATmega2560 trên nền tảng kit Arduino Mega2560 cung cấp hiệu suất xử lý cao, tài nguyên ngoại vi phong phú, giảm thời gian phát triển và tối ưu hóa chi phí.

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà" do sinh viên Bùi Gia Thuyết và Vũ Xuân Tường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trường Duy tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (thực hiện từ ngày 10/10/2016 đến ngày 10/01/2017). Đề tài tập trung xây dựng một hệ thống khép kín cho phép điều khiển và giám sát trực tiếp các thiết bị điện gia dụng, đồng thời cảnh báo các nguy cơ mất an toàn thông qua kết nối Bluetooth với điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Thiết kế mạch đo nhiệt độ và độ ẩm hiển thị trên màn hình LCD.
2. Thiết kế hệ thống cảnh báo nguy cơ cháy do rò rỉ khí gas bằng chuông báo.
3. Thiết kế khối đồng hồ thời gian thực hiển thị trên màn hình LCD.
4. Thiết kế mạch điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống chiếu sáng (bóng đèn).
5. Thiết kế mạch điều khiển và giám sát động cơ (quạt).
6. Thiết kế mạch điều khiển và giám sát hệ thống bơm nước.
7. Thiết kế giao diện ứng dụng kết nối kit Arduino Mega2560 với điện thoại thông minh qua chuẩn truyền thông Bluetooth.
8. Tích hợp đồng bộ kit Arduino Mega2560, màn hình LCD, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến khí gas, module Bluetooth và các mạch công suất để vận hành toàn bộ mô hình thông qua nút nhấn hoặc điện thoại Android.

Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu được phân chia thành 10 nội dung chính:

• Nội dung 1: Thiết kế, thi công mạch vi điều khiển Arduino Mega2560 giao tiếp với cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến ánh sáng, cảm biến lưu lượng nước, màn hình LCD và thiết bị điện.
• Nội dung 2: Thiết kế, thi công và lập trình khối đo nhiệt độ, độ ẩm.
• Nội dung 3: Thiết kế, thi công và lập trình khối thời gian thực.
• Nội dung 4: Thiết kế, thi công và lập trình khối giao diện kết nối Bluetooth.
• Nội dung 5: Thiết kế, thi công và lập trình khối nút nhấn điều khiển.
• Nội dung 6: Lắp ráp khối điều khiển trung tâm và mô hình thực tế.
• Nội dung 7: Vận hành chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống.
• Nội dung 8: Chỉnh sửa các lỗi điều khiển phần cứng, lỗi lập trình và lỗi thiết bị.
• Nội dung 9: Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp.
• Nội dung 10: Báo cáo bảo vệ đề tài tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển, giám sát và cảnh báo an toàn cho các thiết bị điện trong nhà gồm bóng đèn 220V AC, quạt làm mát, máy bơm nước, nồng độ khí gas, nhiệt độ, độ ẩm và thời gian thực.
• Phạm vi không gian: Mô hình thử nghiệm được thiết kế và đóng gói phù hợp cho không gian quy mô phòng ở gia đình khoảng 10 mét vuông.
• Phạm vi công nghệ: Sử dụng kit phát triển Arduino Mega2560, các module cảm biến chuyên dụng, module thời gian thực RTC DS1307, module Bluetooth HC-05, màn hình LCD 16x2 và ứng dụng di động viết trên nền tảng Android Studio.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng kiến trúc phần cứng vi điều khiển AVR, các chuẩn truyền thông công nghiệp và cảm biến điện tử ứng dụng:

1. Khung kiến trúc phần cứng và lý thuyết điều khiển:

• Vi điều khiển ATmega2560: Bộ xử lý 8-bit họ AVR hoạt động ở tần số thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB (trong đó 8 KB dùng cho Bootloader), 8 KB SRAM và 4 KB EEPROM. Vi điều khiển cung cấp 54 chân xuất/nhập số (Digital I/O) và 16 kênh chuyển đổi tương tự - số (Analog In) độ phân giải 10-bit (tương ứng 1024 mức giá trị từ 0V đến 5V).
• Chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao thức truyền thông đồng bộ hai dây phát triển bởi Philips Semiconductor gồm đường truyền dữ liệu hai hướng SDA và đường truyền xung nhịp đồng bộ SCL. Giao thức hỗ trợ chế độ chuẩn (Standard Mode: 100 kbps), chế độ nhanh (Fast Mode: 400 kbps) và chế độ cao tốc (High-Speed Mode: 1.7 Mbps - 3.4 Mbps). Cấu trúc bus I2C hoạt động theo mô hình Master - Slave, phân biệt các thiết bị thông qua địa chỉ 7-bit hoặc 10-bit và quản lý luồng dữ liệu bằng điều kiện START/STOP cùng bit xác nhận ACK.
• Chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART: Phương thức truyền dữ liệu điểm - điểm giữa vi điều khiển và module Bluetooth với khung truyền tiêu chuẩn gồm bit Start, chuỗi bit dữ liệu (Data bits, truyền bit LSB trước), bit kiểm tra chẵn lẻ (Parity bit) và bit Stop, tương thích mức điện áp logic TTL (0V - 5V).
• Chuẩn truyền thông không dây Bluetooth: Chuẩn kết nối vô tuyến cự ly ngắn được chuẩn hóa bởi Bluetooth Special Interest Group (SIG), sử dụng tần số dải sóng ngắn để thiết lập mạng giao tiếp giữa module HC-05 và thiết bị di động.

2. Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

• Phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống: Phân rã hệ thống thành các khối chức năng độc lập (khối xử lý trung tâm, khối cảm biến đầu vào, khối giao diện hiển thị, khối chấp hành công suất, khối truyền thông không dây và khối nguồn).
• Phương pháp tính toán thông số phần cứng: Xác định điện áp định mức (5V DC), mức tiêu thụ dòng điện của từng module ngoại vi và dòng tải ngõ ra trên các chân I/O của ATmega2560 (định mức tối đa 40 mA/chân).
• Phương pháp phát triển phần mềm nhúng và ứng dụng di động: Lập trình firmware cho vi điều khiển bằng ngôn ngữ C/C++ (Arduino Wiring) trên môi trường Arduino IDE; lập trình ứng dụng điều khiển và giám sát giao diện người dùng trên hệ điều hành Android bằng công cụ Android Studio.
• Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra chức năng: Chế tạo mạch in (PCB), lắp ráp linh kiện, đo đạc tín hiệu logic và kiểm thử thực tế khả năng phản hồi của hệ thống đối với từng tác vụ điều khiển, giám sát và cảnh báo sự cố.

Thiết bị / Module	Thông số kỹ thuật chính	Điện áp hoạt động	Dòng điện tiêu thụ	Chuẩn giao tiếp / Tín hiệu
Kit Arduino Mega2560	Vi điều khiển ATmega2560, 16 MHz, 256KB Flash	5V DC (nguồn khuyên dùng 5V-7V DC)	Đang cập nhật theo tải	Digital, Analog, UART, I2C
Cảm biến DHT11	Đo nhiệt độ (0-50/55°C ±2°C), độ ẩm (20-90% ±5%)	3V - 5V DC	5 mA	Digital (1 dây - Signal)
Cảm biến MQ2	Phát hiện khí gas, LPG, CH4, C2H2, propan	5V DC	20 mA	Analog (Aout) / Digital (Dout)
Cảm biến ánh sáng	Quang trở phát hiện trạng thái sáng/tối	3.3V - 5V DC	45 mA	Analog (A0) / Digital (D0)
Cảm biến tốc độ TCST2103	Đo tốc độ quay động cơ qua đĩa encoder quang	5V DC	15 mA	Digital (xung ngắt mức logic)
Cảm biến lưu lượng S201	Cảm biến Hall đo dòng chảy (1 - 30 L/phút, áp lực ≤ 1.75 MPa)	5V - 24V DC	10 mA	Digital (tần số xung vuông F = 7.5 × Q)
Module RTC DS1307	IC đồng hồ thời gian thực + EEPROM AT24C32, pin 3V	3.3V - 5V DC	30 mA	I2C (SDA, SCL)
Module LCD 16x2 + I2C	Màn hình ký tự 16 cột 2 dòng tích hợp chip chuyển đổi I2C	3V - 6V DC	100 mA	I2C (SDA, SCL)
Module Bluetooth HC-05	IC BC417, hỗ trợ chế độ AT Mode và Data Mode	3.6V - 6V DC (tích hợp LDO 3.3V)	Đang cập nhật theo chế độ	UART (TXD, RXD mức logic 3.3V)
Khối nút nhấn điều khiển	7 nút nhấn chức năng có mạch kéo trở	5V DC	35 mA	Digital Input
Khối Relay 4 kênh	Đóng ngắt tải AC 220V và chuông cảnh báo	5V DC	Đang cập nhật theo cuộn hút	Digital Output (kích mức logic)

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ khối chức năng khép kín nhằm bảo đảm tính liên tục giữa tác vụ phát lệnh điều khiển và tác vụ giám sát trạng thái thực tế của thiết bị điện.

1. Cấu hình kết nối phần cứng trung tâm: Các module ngoại vi được phân bổ vào các chân xuất/nhập của vi điều khiển Arduino Mega2560 theo bảng ánh xạ phần cứng:

Khối chức năng	Tên chân trên Module	Chân kết nối trên Arduino Mega2560	Ghi chú chức năng
Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm	Chân Signal (DHT11)	Chân Digital 4	Đọc dữ liệu 40-bit nhiệt độ và độ ẩm
Cảm biến khí gas MQ2	Chân Output (Dout)	Chân Analog A6 (Chân 63)	Nhận tín hiệu cảnh báo rò rỉ khí gas
Cảm biến ánh sáng	Chân A0 / D0	Chân Analog A7 (Chân 62)	Giám sát trạng thái bật/tắt của bóng đèn
Cảm biến tốc độ động cơ	Chân S (Output)	Chân Digital 2 (Ngắt ngoài 0)	Đo xung đĩa encoder để xác nhận quạt quay
Cảm biến lưu lượng nước	Dây tín hiệu màu vàng	Chân Digital 3 (Ngắt ngoài 1)	Đo tần số xung dòng nước để xác nhận bơm chạy
Khối hiển thị LCD 16x2	Chân SDA, SCL	Chân Digital 20 (SDA), Chân Digital 21 (SCL)	Giao tiếp bus I2C hiển thị thông số hệ thống
Module thời gian thực RTC	Chân SDA, SCL	Chân Digital 20 (SDA), Chân Digital 21 (SCL)	Giao tiếp bus I2C đọc/ghi thời gian thực
Module Bluetooth HC-05	Chân TXD, RXD	Chân Digital 0 (RX0), Chân Digital 1 (TX0)	Giao tiếp UART truyền nhận dữ liệu với Android
Khối nút nhấn	Q0, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6	Chân Digital 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34	7 nút điều khiển chế độ, thời gian và tải
Khối Relay 4 kênh	D1, D2, D3, D4	Chân Digital 31, 33, 35, 37	Điều khiển chuông, đèn 220V, quạt và máy bơm

2. Thiết kế chi tiết các khối mạch điện tử:

• Khối điều khiển và giám sát phản hồi khép kín:
  • Giám sát bóng đèn 220V AC: Khi đóng relay cấp nguồn cho bóng đèn, cảm biến quang trở đặt gần đèn sẽ thay đổi điện trở, xuất mức logic về chân A7. Nếu relay kích đóng mà cảm biến báo không có ánh sáng (đèn cháy hoặc đứt dây), hệ thống nhận diện lỗi và tự động ngắt relay để bảo vệ.
  • Giám sát động cơ quạt: Sử dụng cảm biến quang khe TCST2103 kết hợp đĩa encoder gắn trên trục quạt. Khi quạt quay, các xung liên tục được đưa về chân ngắt Digital 2. Nếu sau lệnh bật mà không xuất hiện xung ngắt (kẹt cơ hoặc mất nguồn quạt), hệ thống ra lệnh ngắt relay tương ứng.
  • Giám sát hệ thống máy bơm nước: Cảm biến lưu lượng S201 gắn trên đường ống nước. Khi nước chảy, cánh quạt bên trong quay làm cảm biến Hall phát xung vuông theo công thức $Q = F / 7.5$ (trong đó $Q$ là lưu lượng tính bằng lít/phút, $F$ là tần số xung). Tín hiệu đưa về chân ngắt Digital 3. Nếu bơm bật mà không có dòng nước chảy, mạch sẽ ngắt relay bảo vệ chống cháy bơm.
• Khối phát hiện khí gas và cảnh báo: Module MQ2 sử dụng chất bán dẫn $SnO_2$. Mạch so sánh sử dụng IC LM358 với ngưỡng so sánh được hiệu chỉnh bằng biến trở trực tiếp tại hiện trường. Khi nồng độ khí gas (CH4, C2H2, propan) vượt ngưỡng điện áp so sánh $V_{out2}$, chân ngõ ra kích hoạt chân Digital 63 của Arduino, từ đó kích hoạt relay đóng chuông báo động đồng thời truyền tín hiệu khẩn cấp qua Bluetooth.
• Khối đồng hồ thời gian thực RTC: Sử dụng chip DS1307 kết hợp bộ nhớ EEPROM 32 KB AT24C32 và nguồn nuôi pin 3V dự phòng, bảo đảm dữ liệu giờ, phút, giây, thứ, ngày, tháng, năm không bị mất khi hệ thống ngắt nguồn chính.
• Khối nút nhấn cục bộ: Gồm 7 nút nhấn kết nối với vi điều khiển (1 nút kiểm tra chuông báo, 1 nút bật/tắt đèn, 1 nút bật/tắt quạt, 1 nút bật/tắt bơm nước, 2 nút tăng/giảm cài đặt thời gian thực và 1 nút Mode để chuyển đổi các chế độ hoạt động).
• Khối hiển thị LCD: Sử dụng màn hình LCD 16x2 kết hợp module điều khiển trung gian I2C (PCF8574), giúp rút giảm số lượng dây kết nối từ 8 dây xuống còn 2 dây tín hiệu (SDA, SCL).

3. Triển khai phần mềm và thuật toán điều khiển:

• Firmware trên Arduino Mega2560:
  • Chương trình chính (Main program): Khởi tạo các cổng xuất/nhập, cấu hình giao tiếp I2C, UART tốc độ chuẩn, thiết lập ngắt ngoài cho cảm biến đo tốc độ và cảm biến lưu lượng nước.
  • Chương trình quản lý chế độ (Mode program): Cung cấp 3 chế độ hoạt động chính gồm chế độ hiển thị/giám sát tự động, chế độ điều chỉnh thời gian thực RTC và chế độ kiểm tra thiết bị (Test Mode).
  • Chương trình giám sát và xử lý an toàn: Quét liên tục trạng thái tín hiệu từ cảm biến khí gas, cảm biến ánh sáng, xung tốc độ động cơ và xung lưu lượng nước để tự động đưa ra quyết định đóng ngắt tải và cảnh báo lỗi.
• Ứng dụng điều khiển trên Android:
  • Được xây dựng bằng Android Studio, cấu hình quyền Bluetooth trong tệp AndroidManifest.xml.
  • Giao diện người dùng (activity_main.xml) gồm các thành phần kết nối Bluetooth, các nút điều khiển bật/tắt thiết bị đèn, quạt, bơm, khu vực hiển thị trạng thái hoạt động thực tế và các khung thông báo cảnh báo nồng độ khí gas.
  • Xử lý sự kiện trong MainActivity.java: Thiết lập kết nối Socket Bluetooth với module HC-05, giải mã chuỗi dữ liệu nhận về để cập nhật giao diện, đồng thời kích hoạt tính năng rung và phát âm thanh cảnh báo khi nhận chuỗi ký tự báo động cháy/khí gas từ vi điều khiển.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, khảo sát bối cảnh phát triển của các công nghệ điều khiển thiết bị dân dụng tại Việt Nam và tính ưu việt của dòng vi điều khiển ATmega2560. Nội dung chương công bố 8 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, 10 nhiệm vụ nghiên cứu chi tiết cần hoàn thành, giới hạn phạm vi ứng dụng của đề tài (sử dụng trong nhà quy mô phòng 10 mét vuông, giao tiếp nút nhấn và Bluetooth) cùng cấu trúc phân bổ 6 chương của toàn bộ đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình khép kín trong điều khiển và giám sát thiết bị điện dân dụng. Chương phân tích nguyên lý cấu tạo và thông số kỹ thuật của kit Arduino Mega2560 (sơ đồ 86 chân, bộ nhớ, cấu trúc Analog/Digital/PWM), màn hình LCD 16x2 giao tiếp I2C, các loại cảm biến (DHT11, MQ2, cảm biến quang trở, cảm biến tốc độ động cơ TCST2103, cảm biến lưu lượng nước S201), module RTC DS1307 và module truyền nhận Bluetooth HC-05 (chip BC417). Đồng thời, chương cung cấp cơ sở lý thuyết về hai chuẩn truyền thông nối tiếp là I2C (cấu trúc bus 2 dây, khung truyền, điều kiện START/STOP, các chế độ tốc độ) và UART (khung truyền dữ liệu, baund rate, cơ chế truyền bất đồng bộ).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối toàn hệ thống, thuyết minh chức năng của 9 khối thành phần (nguồn, vi điều khiển, hiển thị, cảm biến, thời gian thực, Bluetooth, nút nhấn, điều khiển công suất và thiết bị Android). Chương tính toán các yêu cầu kỹ thuật về điện áp, dòng tiêu thụ và xây dựng bảng kết nối chân chi tiết giữa Arduino Mega2560 với toàn bộ các module ngoại vi. Nội dung chương cung cấp sơ đồ kết nối từng module cảm biến, mạch nút nhấn 7 phím, mạch relay 4 kênh và hoàn thiện sơ đồ nguyên lý toàn mạch của hệ thống.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 thuyết minh quy trình thi công thực tế bao gồm thiết kế sơ đồ mạch in (PCB), bố trí linh kiện và hàn lắp board mạch khối nút nhấn cùng khối relay 4 kênh. Chương mô tả công tác đóng gói bộ điều khiển trung tâm và thi công mô hình nhà hoàn chỉnh. Phần mềm hệ thống được trình bày qua các lưu đồ thuật toán (chương trình chính, chương trình Mode, chương trình RTC, chương trình điều khiển thiết bị, chương trình Test, chương trình giám sát và chương trình Android). Đồng thời, chương hướng dẫn quy trình cài đặt, cấu hình môi trường lập trình Arduino IDE, Android Studio, giải thích cấu trúc mã nguồn (AndroidManifest.xml, activity_main, MainActivity) và quy trình thao tác vận hành mô hình.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình thực tế. Kết quả ghi nhận hệ thống vận hành chính xác các tính năng: đo và hiển thị nhiệt độ, độ ẩm lên LCD; cập nhật thời gian thực; điều khiển bật/tắt 3 thiết bị điện (đèn, quạt, máy bơm) qua nút nhấn và qua giao diện điện thoại Android kết nối Bluetooth. Hệ thống ghi nhận phản hồi giám sát trạng thái thiết bị chính xác (báo đèn sáng, báo động cơ quay, báo dòng nước chảy) và tự ngắt thiết bị khi có lỗi. Chức năng an toàn hoạt động tốt khi phát hiện khí gas từ bật lửa thử nghiệm, kích hoạt chuông báo động tại chỗ, hiển thị cảnh báo lên LCD và gửi tín hiệu kích hoạt âm thanh, rung trên điện thoại Android.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành của đồ án so với các mục tiêu ban đầu đặt ra, khẳng định nhóm tác giả đã làm chủ quy trình thiết kế phần cứng, thi công mạch in, lập trình vi điều khiển và xây dựng ứng dụng di động. Chương cũng chỉ rõ các điểm còn hạn chế do phạm vi nghiên cứu và đề xuất các hướng mở rộng phát triển hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính:

• Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà, bao gồm board mạch vi điều khiển trung tâm Arduino Mega2560, khối relay 4 kênh, khối nút nhấn 7 phím và hộp điều khiển đóng gói cách điện an toàn.
• Hệ thống đo đạc và hiển thị ổn định các thông số môi trường thực tế: nhiệt độ (ngưỡng 0 - 55°C, sai số ±2°C), độ ẩm không khí (ngưỡng 20 - 90%, sai số ±5%) và thời gian thực (giờ, phút, giây, thứ, ngày, tháng, năm) trên màn hình LCD 16x2.
• Thực hiện điều khiển độc lập và đồng thời 3 tải điện dân dụng gồm bóng đèn 220V AC, quạt làm mát và máy bơm nước mini thông qua 2 phương thức: nút bấm trực tiếp tại tủ điều khiển và phím bấm trên giao diện ứng dụng Android qua kết nối không dây Bluetooth HC-05.
• Triển khai thành công cơ chế giám sát phản hồi khép kín (closed-loop feedback):
  • Giám sát trạng thái bóng đèn sáng/tắt qua cảm biến quang trở hiển thị trạng thái lên LCD và ứng dụng Android.
  • Giám sát hoạt động của quạt qua cảm biến tốc độ quang khe TCST2103 đọc xung từ đĩa encoder.
  • Giám sát hoạt động của máy bơm nước qua cảm biến lưu lượng Hall S201 đo dòng nước chảy thực tế.
  • Tự động ngắt relay cấp điện khi thiết bị đang ở trạng thái kích hoạt nhưng cảm biến không ghi nhận phản hồi hoạt động, ngăn ngừa sự cố chập cháy hoặc hư hỏng thiết bị.
• Phát hiện rò rỉ khí gas bằng cảm biến MQ2, tự động kích hoạt chuông cảnh báo âm thanh tại chỗ, đồng thời gửi tín hiệu cảnh báo khẩn cấp qua Bluetooth để điện thoại Android rung và phát âm báo cho người sử dụng.

2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

• Kiến nghị chuẩn hóa các module kết nối theo dạng khối module công nghiệp để thuận tiện cho việc bảo trì, thay thế linh kiện khi xảy ra sự cố.
• Ứng dụng biến trở vi chỉnh trực tiếp trên module so sánh LM358 của cảm biến khí gas MQ2 để thiết lập ngưỡng cảnh báo linh hoạt theo từng môi trường lắp đặt thực tế.
• Tối ưu hóa hệ thống dây dẫn bằng cách tích hợp giao thức I2C cho màn hình LCD và module RTC, giảm thiểu số lượng chân vi điều khiển cần sử dụng.

3. Đóng góp của đề tài:

• Khác với các đề tài sinh viên các khóa trước chỉ điều khiển một chiều không có phản hồi trạng thái thực tế, đề tài này đã xây dựng hoàn chỉnh vòng lặp điều khiển - giám sát khép kín với các cảm biến vật lý kiểm tra trực tiếp trạng thái làm việc của tải (quang trở cho đèn, encoder cho quạt, cảm biến lưu lượng Hall cho máy bơm).
• Tích hợp thành công giải pháp điều khiển kép: vừa cho phép người dùng thao tác cục bộ bằng 7 nút nhấn trên bảng điều khiển kết hợp màn hình LCD hiển thị 3 chế độ (Mode, RTC, Test), vừa cung cấp khả năng điều khiển không dây tầm gần tiện lợi thông qua smartphone Android.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài:

• Hệ thống chỉ hỗ trợ truyền thông trong phạm vi hẹp nội bộ trong nhà thông qua chuẩn kết nối Bluetooth của module HC-05, chưa thể điều khiển hoặc giám sát từ xa khi người dùng ra khỏi nhà.
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức cơ bản (sai số nhiệt độ ±2°C, sai số độ ẩm ±5%), tốc độ lấy mẫu tín hiệu còn chậm.
• Mô hình thử nghiệm được thiết kế và tính toán tối ưu cho không gian phòng kín quy mô nhỏ (khoảng 10 mét vuông), chưa mở rộng cho toàn bộ căn nhà nhiều tầng hoặc nhiều phòng riêng biệt.

2. Hướng nghiên cứu tiếp:

• Nâng cấp khối truyền thông không dây từ Bluetooth sang module Wi-Fi (như ESP8266/ESP32) hoặc module mạng di động GSM/GPRS để kết nối hệ thống lên mạng Internet, phát triển thành hệ thống Internet of Things (IoT) hỗ trợ điều khiển từ xa qua nền tảng đám mây.
• Tích hợp thêm các cảm biến môi trường và an ninh cao cấp hơn như cảm biến chuyển động hồng ngoại (PIR), cảm biến phát hiện khói chuyên dụng, cảm biến báo tràn nước.
• Thiết kế mạch in tích hợp toàn bộ các linh kiện vi điều khiển, driver relay và mạch nguồn lên một bo mạch chủ duy nhất để giảm kích thước và tăng tính thẩm mỹ công nghiệp.
• Nâng cấp ứng dụng Android với giao diện đồ họa hiện đại hơn, bổ sung tính năng lưu trữ lịch sử tiêu thụ điện năng và lập lịch bật/tắt thiết bị tự động theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà" là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, cũng như các nhà phát triển hệ thống nhúng ứng dụng.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong đồ án:

• Sơ đồ phối ghép phần cứng và bảng ánh xạ chân chi tiết giữa kit Arduino Mega2560 với các module ngoại vi chuẩn công nghiệp (LCD I2C, RTC DS1307, HC-05, DHT11, MQ2, S201, TCST2103).
• Giải pháp thiết kế mạch giám sát phản hồi khép kín cho thiết bị điện dân dụng, đặc biệt là phương pháp sử dụng cảm biến lưu lượng nước Hall S201 và cảm biến quang khe TCST2103 kết hợp ngắt ngoài vi điều khiển để phát hiện sự cố tải.
• Toàn bộ lưu đồ thuật toán điều khiển đa chế độ (chương trình chính, cài đặt RTC, Test thiết bị) và mã nguồn cấu trúc ứng dụng giao tiếp Bluetooth trên nền tảng Android Studio.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng vi điều khiển nào làm bộ xử lý trung tâm và cấu hình bộ nhớ của chip này như thế nào? Đồ án sử dụng kit Arduino Mega2560 tích hợp vi điều khiển ATmega2560 8-bit của hãng Atmel, hoạt động ở tần số thạch anh 16 MHz. Chip có bộ nhớ Flash 256 KB (với 8 KB dành cho Bootloader), 8 KB bộ nhớ SRAM và 4 KB bộ nhớ EEPROM, đi kèm 16 kênh ngõ vào tương tự 10-bit và 54 chân xuất/nhập số.

2. Cơ chế nào giúp hệ thống phát hiện sự cố hoạt động của bóng đèn, quạt và máy bơm nước? Hệ thống sử dụng các cảm biến hồi tiếp chuyên dụng đặt trực tiếp tại tải: cảm biến quang trở đặt cạnh bóng đèn để kiểm tra ánh sáng; cảm biến tốc độ quang khe TCST2103 kết hợp đĩa encoder gắn trục quạt để nhận xung ngắt khi quạt quay; cảm biến lưu lượng nước S201 gắn trên đường ống để nhận xung Hall khi có dòng nước chảy. Nếu vi điều khiển đã kích hoạt relay bật thiết bị nhưng không nhận được tín hiệu hồi tiếp hợp lệ từ cảm biến, hệ thống sẽ xác định thiết bị gặp sự cố và tự động ngắt relay cấp nguồn.

3. Ngưỡng cảnh báo nồng độ khí gas nguy hiểm được thiết lập như thế nào trong mạch cảm biến MQ2? Ngưỡng cảnh báo được thiết lập thủ công bằng cách đo điện áp ngõ ra của cảm biến MQ2 trong điều kiện không khí sạch ($V_{out1}$), sau đó thử nghiệm cho rò rỉ khí gas từ bật lửa ở cự ly nguy hiểm để xác định mức điện áp ngõ ra tương ứng ($V_{out2}$). Người thiết kế xoay biến trở vi chỉnh trên module để đặt điện áp so sánh tại chân số 3 của IC khuếch đại thuật toán LM358 bằng đúng giá trị $V_{out2}$. Khi nồng độ khí vượt ngưỡng này, ngõ ra Dout chuyển mức logic kích hoạt cảnh báo.

4. Công thức tính toán lưu lượng dòng nước của cảm biến S201 trong đồ án được xác định ra sao? Cảm biến lưu lượng nước S201 hoạt động dựa trên cơ cấu cánh quạt nước làm quay nam châm tác động lên cảm biến Hall bên trong tạo ra xung vuông. Lưu lượng dòng chảy $Q$ (tính bằng lít/phút) được tính toán dựa trên tần số xung ngõ ra $F$ (tính bằng Hz) theo công thức: $Q = F / 7.5$ (hay tần số xung $F = 7.5 \times Q$).

5. Khối nút nhấn cục bộ trên vỏ hộp điều khiển gồm bao nhiêu phím và có chức năng gì? Khối nút nhấn gồm tổng cộng 7 phím kết nối với các chân từ Digital 22 đến Digital 34 của Arduino Mega2560, bao gồm: 1 nút kiểm tra chuông báo động, 1 nút bật/tắt bóng đèn, 1 nút bật/tắt quạt, 1 nút bật/tắt máy bơm nước, 2 nút tăng/giảm giá trị khi cài đặt thời gian thực và 1 nút Mode dùng để chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động trên màn hình LCD.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà" của sinh viên Bùi Gia Thuyết và Vũ Xuân Tường đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống nhúng điều khiển thiết bị điện dân dụng. Đề tài giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa gia đình quy mô phòng ở thông qua việc kết hợp kit vi điều khiển Arduino Mega2560, mạng cảm biến giám sát phản hồi khép kín và giao tiếp không dây Bluetooth với điện thoại Android. Các kết quả thực nghiệm về điều khiển tải 220V, tự động ngắt an toàn và cảnh báo rò rỉ khí gas chứng minh tính đúng đắn của giải pháp thiết kế, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cho các nghiên cứu ứng dụng Smart Home.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương này tính toán thiết kế hệ thống, thiết kế sơ đồ khối, chức năng từng khối, tính toán thiết kế mạch, các khối trong sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của từ khối.  Chương 4: Thi công hệ thống Chương này thi công hệ thống, thi công board mạch, lắp ráp và kiểm tra, đóng gói và thi công mô hình, lưu đồ giải thuật, phần mềm lập trình cho vi điều khiển, giao diện cho điện thoại Android.  Chương 5: Kết quả - Nhận xét – Đánh giá Chương này nêu kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá về hệ thống, về các khối cảm biến, bộ vi điều khiển, kết quả mô phỏng, kết quả thống kê, kết nối Bluetooth.

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày các kết quả đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu ban đầu, nêu hướng phát triển của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ 2.1 Mô tả quy trình điều khiển thiết bị Quy trình hoạt động của hệ thống là một quy trình khép kín. Hệ thống hoạt động bao gồm việc điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, bơm (những thiết bị chính cho 1 ngôi nhà cần có) và quan sát nó hoạt động hay không.

Các thiết bị trên sẽ được điều khiển thông qua nút nhấn giao tiếp trực tiếp với kit Adruino Mega2560 hay điện thoại Android giao tiếp thông qua module Bluetooth kết nối với kit Arduino Mega2560.2 Mô tả quy trình giám sát thiết bị điện Việc quan sát sẽ được hiển thị cả trên màn hình LCD và điện thoại cho ta khả năng giám sát cao. Ngoài ra hệ thống trên còn hiển thị thời gian thực (điều chỉnh được), báo nhiệt độ và độ ẩm liên tục. Việc thực hiện báo động bằng chuông kêu khi có khí gas sẽ giúp nâng cao an toàn trong bảo vệ tài sản.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Thiết bị đầu vào: Nút nhấn, module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, module cảm biến khí gas MQ2, module cảm biến ánh sáng, module cảm biến tốc độ, module cảm biến lưu lượng S201, module thời gian thực RTC, module bluetooth HC-05. Thiết bị đầu ra: Màn hình hiển thị LCD16x2, mạch công suất điều khiển đèn, quạt, động cơ bơm nước, chuông báo động.

Thiết bị điều khiển trung tâm: Là kit Arduino Mega2560. Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C, Bluetooth. Thiết bị lưu trữ: Bộ nhớ RAM, ROM. Thiết bị thời gian thực: IC đồng hồ thời gian thực.

Thiết bị giao diện điều khiển: Điện thoại android. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2.1 Giới thiệu về kit Arduino mega 2560 Arduino Mega2560 là một boarb mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển họ AVR Atmega2560: Hình 2. Kit Arduino Mega2560. Đi cùng với Board Arduino là một phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp: IDE (Integrated Development Environment) cho phép người dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.

Cấu tạo chính của Arduino Mega2560 bao gồm các phần sau:  Cổng USB: Đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.  Vi điều khiển AVR: Đây là bộ xử lí trung tâm của toàn board mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau.

Ở Arduino Mega2560 này thì sử dụng ATMega2560. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các bộ vi điều khiển Mega2560 có 16 đầu vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau). Theo mặc định đo từ 0 đến 5 volts, mặc dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và chức năng analog Reference.

Các bộ vi điều khiển Atmega2560 có 256 KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8 KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và 4 KB của EEPROM. Sơ đồ chân kit Arduino Mega2560.1: Bảng số chân, tên chân, tên chân trên board của Arduino Mega2560. Pin Number Pin Name Mapped Pin Name 1 PG5 ( OC0B ) Digital pin 4 (PWM) 2 PE0 ( RXD0/PCINT8 ) Digital pin 0 (RX0) 3 PE1 ( TXD0 ) Digital pin 1 (TX0) 4 PE2 ( XCK0/AIN0 ) 5 PE3 ( OC3A/AIN1 ) Digital pin 5 (PWM) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 PE4 ( OC3B/INT4 ) Digital pin 2 (PWM) 7 PE5 ( OC3C/INT5 ) Digital pin 3 (PWM) 8 PE6 ( T3/INT6 ) 9 PE7 ( CLKO/ICP3/INT7 ) 10 VCC VCC 11 GND GND 12 PH0 ( RXD2 ) Digital pin 17 (RX2) 13 PH1 ( TXD2 ) Digital pin 16 (TX2) 14 PH2 ( XCK2 ) 15 PH3 ( OC4A ) Digital pin 6 (PWM) 16 PH4 ( OC4B ) Digital pin 7 (PWM) 17 PH5 ( OC4C ) Digital pin 8 (PWM) 18 PH6 ( OC2B ) Digital pin 9 (PWM) 19 PB0 ( SS/PCINT0 ) Digital pin 53 (SS) 20 PB1 ( SCK/PCINT1 ) Digital pin 52 (SCK) 21 PB2 ( MOSI/PCINT2 ) Digital pin 51 (MOSI) 22 PB3 ( MISO/PCINT3 ) Digital pin 50 (MISO) 23 PB4 ( OC2A/PCINT4 ) Digital pin 10 (PWM) 24 PB5 ( OC1A/PCINT5 ) Digital pin 11 (PWM) 25 PB6 ( OC1B/PCINT6 ) Digital pin 12 (PWM) 26 PB7 ( OC0A/OC1C/PCINT7 ) Digital pin 13 (PWM) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27 PH7 ( T4 ) 28 PG3 ( TOSC2 ) 29 PG4 ( TOSC1 ) 30 RESET RESET 31 VCC VCC 32 GND GND 33 XTAL2 XTAL2 34 XTAL1 XTAL1 35 PL0 ( ICP4 ) Digital pin 49 36 PL1 ( ICP5 ) Digital pin 48 37 PL2 ( T5 ) Digital pin 47 38 PL3 ( OC5A ) Digital pin 46 (PWM) 39 PL4 ( OC5B ) Digital pin 45 (PWM) 40 PL5 ( OC5C ) Digital pin 44 (PWM) 41 PL6 Digital pin 43 42 PL7 Digital pin 42 43 PD0 ( SCL/INT0 ) Digital pin 21 (SCL) 44 PD1 ( SDA/INT1 ) Digital pin 20 (SDA) 45 PD2 ( RXDI/INT2 ) Digital pin 19 (RX1) 46 PD3 ( TXD1/INT3 ) Digital pin 18 (TX1) 47 PD4 ( ICP1 ) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 48 PD5 ( XCK1 ) 49 PD6 ( T1 ) 50 PD7 ( T0 ) Digital pin 38 51 PG0 ( WR ) Digital pin 41 52 PG1 ( RD ) Digital pin 40 53 PC0 ( A8 ) Digital pin 37 54 PC1 ( A9 ) Digital pin 36 55 PC2 ( A10 ) Digital pin 35 56 PC3 ( A11 ) Digital pin 34 57 PC4 ( A12 ) Digital pin 33 58 PC5 ( A13 ) Digital pin 32 59 PC6 ( A14 ) Digital pin 31 60 PC7 ( A15 ) Digital pin 30 61 VCC VCC 62 GND GND 63 PJ0 ( RXD3/PCINT9 ) Digital pin 15 (RX3) 64 PJ1 ( TXD3/PCINT10 ) Digital pin 14 (TX3) 65 PJ2 ( XCK3/PCINT11 ) 66 PJ3 ( PCINT12 ) 67 PJ4 ( PCINT13 ) 68 PJ5 ( PCINT14 ) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 69 PJ6 ( PCINT 15 ) 70 PG2 ( ALE ) Digital pin 39 71 PA7 ( AD7 ) Digital pin 29 72 PA6 ( AD6 ) Digital pin 28 73 PA5 ( AD5 ) Digital pin 27 74 PA4 ( AD4 ) Digital pin 26 75 PA3 ( AD3 ) Digital pin 25 76 PA2 ( AD2 ) Digital pin 24 2.2 Màn hình hiển thị LCD a. Giới thiệu Hiện nay có khá nhiều màn hình LCD đủ chủng loại và giá thành, tương ứng với chức năng càng hiện đại thì giá thành càng mắc cùng với việc giao tiếp trở nên phức tạp.

Lựa chọn LCD Một số chủng loại màn hìn LCD như: Màn hình GLCD, Màn hình TFT có cảm ứng, màn hình LCD của điện thoại Nokia, màn hình LCD 20x4. Do nhu cầu của thiết bị cần sử dụng nên thiết bị hiển thị được chọn là màn hình LCD 16x2 có giá thành phù hợp và có thể hiển thị được hết thông tin cần thiết. Màn hình LCD 16x2 Hình 2. Hình dáng và các chân của màn hình LCD 16x2.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chi tiết chức năng của các chân:  VSS: Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển.  VDD: Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC = 5V của mạch điều khiển.  VEE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

 RS: Chân chọn thanh ghi. Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi. + Logic “0”: Bus D0-D7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi”) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc”). + Logic “1”: Bus D0-D7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.

 R/W: Chân chọn chế độ đọc/ghi. Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.  EN: Chân cho phép. Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus D0-D7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung cạnh xuống của tín hiệu chân E. + Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.  D0-D7: Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với vi điều khiển. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này: + Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit D7.

+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ D4 tới D7, bit MSB là D7. Để đơn giản hóa công việc, người ta đã tạo ra một loại mạch điều khiển màn hình LCD sử dụng giao tiếp I2C. Nói một cách đơn giản, ta chỉ tốn 2 dây để điều khiển màn hình, thay vì 8 dây như cách thông thường. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Hình dáng và các chân modul I2C LCD16x2 mặt trước. Hình dáng và các chân modul I2C LCD 16x2 mặt sau.  2 chân SDA và SCL là 2 chân tín hiệu 2 luồng cho giao tiếp I2C.

 Kết nối module màn hình với Arduino Bảng 2.2: Kết nối chân modul I2C LCD 16x2 với Arduino Mega2560.