Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh thị trường thiết bị điện tử gia dụng và nhà thông minh (Smart Home) tại Việt Nam ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng các thiết bị điều khiển từ xa, công tắc cảm ứng và ổ cắm thông minh đạt mức tăng trưởng cao. Tuy nhiên, phần lớn các doanh nghiệp phân phối trong nước phải nhập khẩu trực tiếp bo mạch điều khiển từ các nhà sản xuất nước ngoài. Việc phụ thuộc này làm phát sinh nhiều hạn chế về chi phí (thuế nhập khẩu, cước vận chuyển), sự thụ động trong việc cải tiến, nâng cấp tính năng sản phẩm, cũng như khó khăn trong công tác bảo hành và sửa chữa.
Nhằm giải quyết bài toán tự chủ công nghệ và tối ưu hóa chi phí sản xuất, Công ty Trách nhiệm hữu hạn Thế Bảo (sở hữu nhãn hiệu độc quyền KAWASAN) đã đặt ra yêu cầu thiết kế lại và phát triển mới các dòng bo mạch điều khiển cho sản phẩm nhà thông minh ngay tại Việt Nam. Đồ án tốt nghiệp được thực hiện nhằm đáp ứng định hướng thực tiễn này.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và chức năng của các sản phẩm nhà thông minh KAWASAN hiện hành trên thị trường.
- Thiết kế lại các bo mạch điều khiển với chức năng tương đương, đảm bảo khả năng thay thế hoàn toàn các bo mạch nhập khẩu nước ngoài.
- Thiết kế các bo mạch điều khiển mới nhằm mở rộng danh mục sản phẩm và phát triển thêm các tính năng tiện ích cho thương hiệu KAWASAN.
Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Khảo sát chức năng, phương thức vận hành và nguyên lý hoạt động của các sản phẩm nhà thông minh trên thị trường.
- Vẽ lại sơ đồ nguyên lý mạch điện của các sản phẩm mẫu từ KAWASAN.
- Lập trình tái hiện các chức năng tương đương trên bo mạch điều khiển của sản phẩm KAWASAN.
- Thiết kế phần cứng các bo mạch điều khiển mới.
- Lập trình chức năng và phát triển các tính năng mở rộng cho các bo mạch mới.
- Thi công chế tạo các bo mạch điều khiển mẫu (prototypes).
- Đo đạc, kiểm tra và hiệu chỉnh hoạt động của các bo mạch mẫu.
- Hoàn thiện tài liệu và viết báo cáo đồ án tốt nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Bo mạch nút nhấn cảm ứng điện dung; bo mạch công tắc cảm ứng chạm kết hợp điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến (RF); bo mạch ổ cắm điều khiển từ xa bằng sóng RF tần số 433 MHz; bo mạch điều khiển quạt; bo mạch điều khiển ma trận 30 nút nhấn cảm ứng điện dung.
- Phạm vi không gian: Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, phối hợp kỹ thuật với Công ty TNHH Thế Bảo.
- Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 25/09/2017 đến ngày 15/01/2018.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận xây dựng hệ thống giải pháp kỹ thuật dựa trên các nền tảng lý thuyết truyền thông vô tuyến, mã hóa dữ liệu nhúng và cảm biến điện dung:
- Nguyên lý điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến (RF): Hệ thống truyền nhận vô tuyến tối thiểu bao gồm khối phát và khối thu. Khối phát sử dụng mạch cộng hưởng LC tạo sóng mang tần số cao, điều chế tín hiệu mã lệnh vào sóng mang để bức xạ vào không gian. Khối thu sử dụng mạch cộng hưởng LC bẫy sóng để thu nhận tín hiệu RF, sau đó giải mã trích xuất chuỗi bit dữ liệu phục vụ điều khiển thiết bị chấp hành.
- Cơ chế mã hóa và học mã (Learning Code) với IC EV1527: So với giải pháp mã cố định (Fix Code) dùng chip PT2262/PT2272 có số lượng mã thấp (6.561 địa chỉ) và dễ trùng lặp, giải pháp Learning Code dùng IC EV1527 cung cấp không gian địa chỉ lên tới $2^{20} = 1.048.576$ mã, gia tăng tính bảo mật và cho phép vi điều khiển ghi nhớ linh hoạt các remote khác nhau vào bộ nhớ.
| Tiêu chí so sánh |
Fix Code (Mã cố định) |
Learning Code (Mã tự học) |
| IC mã hóa điển hình |
PT2262 |
EV1527 |
| Bộ giải mã |
Chip chuyên dụng PT2272 |
Vi điều khiển lập trình giải mã |
| Không gian địa chỉ |
6.561 địa chỉ |
1.048.576 địa chỉ |
| Độ bảo mật |
Thấp, dễ trùng lặp gây kích hoạt giả |
Cao hơn, giảm thiểu nguy cơ trùng lặp mã |
| Phương thức thiết lập |
Thủ công (hàn chân hoặc gạt switch) |
Tự động học và lưu mã vào bộ nhớ |
| Khả năng mở rộng |
Khó khăn khi bổ sung thiết bị mới |
Thao tác thêm hoặc xóa remote dễ dàng |
| Giá thành |
Thấp |
Trung bình |
- Cấu trúc khung truyền và thuật toán giải mã EV1527: Khung truyền của IC EV1527 bao gồm 32 chu kỳ dữ liệu ($T_D$), trong đó 8 $T_D$ đầu tiên dành cho tín hiệu bắt đầu (preamble/sync), 20 $T_D$ tiếp theo truyền mã địa chỉ và 4 $T_D$ cuối cùng truyền dữ liệu điều khiển. Thời gian truyền một khung là $T_L = 32 \times T_D$. Vi điều khiển giải mã bằng cách chia chu kỳ dữ liệu $T_D$ thành 4 khoảng thời gian $t$:
- Tín hiệu bắt đầu: Xung mức cao kéo dài $t$, tiếp nối bởi xung mức thấp kéo dài $31t$.
- Bit '0' (mức thấp): Xung mức cao kéo dài $t$, tiếp nối bởi xung mức thấp kéo dài $3t$.
- Bit '1' (mức cao): Xung mức cao kéo dài $3t$, tiếp nối bởi xung mức thấp kéo dài $t$.
- Nguyên lý cảm ứng điện dung bằng phương pháp CVD (Capacitive Voltage Divider): Cấu trúc phím gồm mặt bảo vệ (Cover Plate bằng kính/nhựa), lá đồng cảm biến (Copper Sensor Pad) trên bảng mạch PCB và lớp mass (GND) tạo nên tụ điện ký sinh $C_P$. Khi ngón tay người tiếp xúc bề mặt, xuất hiện thêm tụ điện $C_F$ mắc song song ($C_{total} = C_P + C_F$), làm thay đổi hằng số thời gian nạp và xả điện áp của mạch đo tích hợp trên vi điều khiển Microchip PIC.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp kỹ thuật đảo ngược (Reverse Engineering): Phân tích phần cứng sản phẩm thương mại KAWASAN để tái lập sơ đồ nguyên lý chuẩn xác.
- Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử: Tính toán công suất tải tiêu thụ, lựa chọn linh kiện đóng ngắt (Relay, Transistor C1815, Diode 1N4007), tính toán khả năng chịu dòng của đường mạch in theo tiêu chuẩn IPC-2223, và tính toán mạch nguồn hạ áp không dùng biến áp (Capacitive dropper power supply).
- Phương pháp phát triển firmware nhúng: Xây dựng giải thuật quét phím cảm ứng CVD, giải thuật ngắt timer đo độ rộng xung RF và giải thuật ghi nhớ mã remote vào bộ nhớ vi điều khiển.
- Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Gia công mạch in PCB thực tế, lắp ráp linh kiện, đo kiểm dạng sóng và thử nghiệm tải thực tế.
Thiết kế và triển khai hệ thống phần cứng - phần mềm
1. Thiết kế phần cứng
Mạch ổ cắm điều khiển từ xa hai lỗ cố định
- Khối chấp hành: Sử dụng 2 Relay Songle 12V 30A (dòng kích cuộn dây 77 mA, điện áp kích 12V) điều khiển 2 ngõ ra độc lập. Công suất thiết kế đạt 2000W đối với tải thuần trở ($\cos\varphi = 1$) và 1000W (tương đương 2HP = 1492W) đối với tải động cơ. Đường mạch in được tính toán theo tiêu chuẩn IPC-2223 ($k=0.048, \Delta T=20^\circ\text{C}$, diện tích mặt cắt $A=275.6\text{ mils}^2$ với độ rộng 100 mils và dày 2.756 mils), cho dòng chịu tải tối đa của đường mạch là $I=10.45\text{A}$, tương ứng công suất chịu đựng $P_{max3}=2301.2\text{W}$. Mạch tích hợp 2 diode 1N4007 dập xung ngược bảo vệ tiếp điểm.
- Khối điều khiển: Sử dụng vi điều khiển PIC16F1574 (14 chân, 12 chân I/O, bộ nhớ Flash 7 KB, hỗ trợ ngoại vi đo điện dung), 2 transistor C1815 ($I_C=150\text{mA}, V_{CE}=50\text{V}, h_{fe}=130\div200$, điện trở định thiên cực B $R_B=10\text{k}\Omega$), 2 LED báo trạng thái màu xanh dương kèm trở hạn dòng $330\Omega/0.25\text{W}$, cùng 2 nút nhấn cơ đóng cắt trực tiếp.
- Khối thu sóng RF: Tích hợp module thu RF tần số 433 MHz (điện áp 5VDC, dòng tiêu thụ 4 mA, kích thước $30 \times 14 \times 7\text{ mm}$). Khoảng cách nhận tín hiệu không anten đạt $20\div30\text{ cm}$; khi lắp anten đơn lõi dài 32 cm, cự ly thu nhận đạt $30\div80\text{ m}$.
- Khối nguồn: Sử dụng module nguồn AC-DC ngõ vào $85\div265\text{VAC}$ (50/60Hz), ngõ ra 12VDC dòng 450 mA. Nguồn 5VDC cấp cho vi điều khiển và module RF được tạo qua IC ổn áp LM78M05 ($I_{max}=500\text{mA}$). Mạch được bảo vệ chống xung sét và quá áp bằng tụ chống sét Varistor RV1 (điện áp làm việc tối đa 250VAC/320VDC, điện áp kẹp tối đa 650VDC). Tổng dòng tiêu thụ toàn mạch ở mức tải cực đại là 176 mA (gồm 2 relay 154 mA, PIC16F1574 3 mA, 2 LED 15 mA, module RF 4 mA).
Mạch ổ cắm điều khiển từ xa di động (mang đi được)
- Đặc điểm kiến trúc: Thiết kế tối giản kích thước để cắm trực tiếp vào ổ cắm gia dụng, sử dụng vi điều khiển PIC12F1840 (8 chân, 6 I/O, 4 Kwords Flash, 256 Bytes RAM).
- Khối nguồn hạ áp không dùng biến áp: Nhằm thu nhỏ thể tích bo mạch, hệ thống sử dụng nguồn hạ áp bằng tụ điện kết hợp diode Zener:
- Dòng điện thiết kế yêu cầu: $I=100\text{mA}$ ở điện áp 220VAC/50Hz. Trở kháng tụ tính toán $R_C = 220\text{V} / 0.1\text{A} = 2.2\text{k}\Omega$.
- Giá trị tụ hạ áp lý thuyết: $C = 1 / (2\pi f R_C) = 1.44\mu\text{F}$. Thực tế chọn tụ $C_1 = 1.5\mu\text{F}$ (chịu áp $400\text{V}\div630\text{V}$).
- Tụ $C_1$ mắc song song điện trở xả sét/xả áp $R_1 = 470\text{k}\Omega$.
- Mạch chỉnh lưu dùng cầu 4 diode 1N4007 kiểu dán (SMD), lọc nguồn bởi tụ $C_2 = 1000\mu\text{F}/25\text{V}$ và trở xả $R_3 = 470\text{k}\Omega$.
- Mạch ổn áp dùng Diode Zener 12V ($I_{max}=76\text{mA}$) cấp nguồn cho cuộn dây relay và Diode Zener 5.1V ($I_{max}=178\text{mA}$) cấp cho vi điều khiển; kết hợp các điện trở phân áp $R_5=10\Omega, R_4=330\Omega$ và điện trở gánh chống xung nạp $R_2=10\Omega/1\text{W}$. Tổng dòng tiêu thụ của mạch là 91.5 mA.
Các module công tắc cảm ứng, điều khiển quạt và ma trận phím
- Công tắc cảm ứng 1, 2, 3 nút (có/không có RF): Thiết kế tách rời thành 2 bo mạch ghép tầng (bo điều khiển gắn cảm biến mặt kính cường lực và bo công suất - nguồn chứa relay 12V 10A Songle), tích hợp LED 2 màu đỏ - xanh lá báo trạng thái.
- Bảng điều khiển quạt: Vi điều khiển giao tiếp mở rộng qua IC ghi dịch 74HC595 để điều khiển hệ thống LED báo phím cảm ứng và LED xanh dương báo tốc độ gió, đồng thời tích hợp cổng truyền thông UART.
- Mạch ma trận 30 phím cảm ứng: Sử dụng vi điều khiển PIC16F1579 kết nối ma trận cảm ứng điện dung và khối hiển thị LED trạng thái chuyên biệt.
2. Thiết kế phần mềm và giải thuật
Firmware hệ thống được xây dựng bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển PIC với các khối giải thuật chính:
- Ngắt timer đo xung giải mã EV1527: Sử dụng ngắt cạnh lên/xuống trên chân dữ liệu RF kết hợp Timer đếm $\mu\text{s}$ và $\text{ms}$. Thuật toán kiểm tra độ rộng xung logic để nhận dạng chuỗi đồng bộ $t - 31t$, sau đó tiến hành dịch lần lượt 24 bit dữ liệu vào thanh ghi đệm.
- Xử lý chống dội nút nhấn và học mã: Hàm chống dội áp dụng trễ 20 ms. Nếu phát hiện nhấn giữ nút $>5\text{ giây}$, mạch chuyển sang chế độ học lệnh (chớp LED báo hiệu); nếu nhấn giữ $>20\text{ giây}$, mạch xóa toàn bộ dữ liệu mã RF trong bộ nhớ. Thời gian chờ học lệnh tự động hủy nếu sau 10 giây không có tín hiệu.
- Quản lý trạng thái học lệnh On/Off: Phân định rõ 2 giai đoạn học mã bật và học mã tắt cho từng tải riêng biệt, cập nhật địa chỉ RF vào các vùng nhớ EEPROM/RAM tương ứng.
- Xử lý cảm ứng CVD: Thực hiện nạp - xả điện áp trên chân cảm ứng và tụ tham chiếu nội qua 2 chương trình con
scanA và scanB, đối sánh giá trị ADC thu được với ngưỡng đặt để xác định thao tác chạm phím xuyên qua lớp kính bảo vệ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Trình bày cơ sở lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu nội địa hóa bo mạch cho thương hiệu KAWASAN của Công ty TNHH Thế Bảo. Xác định mục tiêu nghiên cứu là giải mã nguyên lý sản phẩm mẫu, thiết kế lại bo mạch thay thế tương đương và phát triển các sản phẩm mới. Giới hạn phạm vi đồ án tập trung vào 5 nhóm sản phẩm: ổ cắm RF 433 MHz, công tắc cảm ứng chạm, công tắc cảm ứng chạm tích hợp RF, mạch điều khiển quạt và mạch ma trận 30 nút nhấn cảm ứng.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày hệ thống lý thuyết về truyền thông vô tuyến tần số 433 MHz, nguyên lý phát/thu sóng mang bằng mạch cộng hưởng LC. Phân tích chi tiết sự khác biệt giữa chuẩn Fix Code (PT2262/PT2272) và Learning Code (EV1527). Mô tả chi tiết cấu trúc 24 bit của IC EV1527 (20 bit địa chỉ, 4 bit dữ liệu), quy tắc phân chia xung $t - 3t$ và $3t - t$. Trình bày mô hình tụ điện tương đương $C_P, C_F$ và giải thuật đo điện áp nạp xả vi sai theo phương pháp CVD trên vi điều khiển Microchip.
Chương 3: Thiết kế
Chương chiếm dung lượng trọng tâm, trình bày chi tiết các bước tính toán công suất, lựa chọn linh kiện, vẽ sơ đồ nguyên lý và lưu đồ giải thuật cho 11 biến thể thiết bị:
- Ổ cắm điều khiển từ xa 2 lỗ cố định và 1 lỗ cố định.
- Ổ cắm điều khiển từ xa di động (phân tích chi tiết mạch nguồn hạ áp dùng tụ $1.5\mu\text{F}$ và mạch gánh $10\Omega/1\text{W}$).
- Công tắc cảm ứng chạm điều khiển từ xa 1 nút, 2 nút, 3 nút.
- Công tắc cảm ứng chạm thông thường 1 nút, 2 nút, 3 nút.
- Công tắc cảm ứng kết hợp ổ cắm 1 lỗ điều khiển từ xa.
- Mạch điều khiển quạt (giao tiếp UART, mở rộng hiển thị qua IC ghi dịch 74HC595).
- Mạch điều khiển ma trận 30 nút nhấn cảm ứng điện dung (sử dụng PIC16F1579).
Chương 4: Kết quả thực nghiệm
Giới thiệu kết quả chế tạo phần cứng thực tế với 10 hình ảnh mẫu bo mạch hoàn chỉnh: bo mạch ổ cắm cố định 2 lỗ, ổ cắm di động, các bộ bo mạch công tắc cảm ứng 3 nút (tách rời bo điều khiển và bo nguồn/chấp hành), bo mạch công tắc kết hợp ổ cắm, bo mạch bảng điều khiển quạt và bo mạch 30 phím cảm ứng ma trận. Các bo mạch đều được hàn lắp hoàn thiện linh kiện dán (SMD) và linh kiện cắm, sẵn sàng lắp đặt vào vỏ hộp sản phẩm.
Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển
Đánh giá mức độ hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra: làm chủ nguyên lý, thiết kế mạch in đạt chuẩn kỹ thuật, xây dựng firmware giải mã RF và cảm ứng điện dung ổn định. Đề xuất các định hướng phát triển tiếp theo về tối ưu hóa bao gói công nghiệp và mở rộng tính năng điều khiển.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả kỹ thuật đạt được
| Thiết bị / Bo mạch |
Vi điều khiển |
Khối công suất / Chấp hành |
Khối nguồn |
Tính năng chính |
| Ổ cắm cố định 2 lỗ |
PIC16F1574 |
2 Relay Songle 12V 30A |
Module AC-DC 12V 450mA + LM78M05 |
Chịu tải 2000W trở, 1000W động cơ; thu RF 433MHz ($30\div80\text{m}$); học mã EV1527. |
| Ổ cắm di chuyển được |
PIC12F1840 |
1 Relay Songle 12V 30A |
Hạ áp bằng tụ $1.5\mu\text{F}$ + Zener 12V/5.1V |
Nhỏ gọn, cắm trực tiếp ổ điện; dòng nguồn 100mA; thu RF 433MHz học mã. |
| Công tắc cảm ứng RF 3 nút |
PIC16F1574 |
3 Relay Songle 12V 10A |
Module AC-DC + Ổn áp 5V (tách 2 bo) |
Cảm ứng CVD xuyên kính cường lực; LED 2 màu báo trạng thái; nhận lệnh RF 433MHz. |
| Mạch điều khiển quạt |
PIC MCU |
Mạch điều khiển động cơ quạt |
Nguồn hạ áp tích hợp |
Cảm ứng tốc độ quạt; mở rộng LED qua 74HC595; truyền thông UART. |
| Bảng 30 phím cảm ứng |
PIC16F1579 |
Mạch quét LED ma trận |
Nguồn một chiều 5V |
Quét ma trận 30 phím cảm ứng điện dung CVD; LED báo vị trí phím. |
- Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý và layout PCB cho toàn bộ hệ sinh thái thiết bị nhà thông minh KAWASAN.
- Tính toán và kiểm chứng khả năng chịu tải của đường mạch đạt $10.45\text{A}$ ($2301.2\text{W}$) theo tiêu chuẩn IPC-2223.
- Xây dựng thành công thuật toán giải mã tín hiệu vô tuyến 24 bit chuẩn EV1527 với độ trễ thấp và khả năng chống dội nút nhấn, chống trùng mã.
- Ứng dụng thành công công nghệ cảm ứng điện dung CVD của Microchip, đảm bảo độ nhạy xuyên qua mặt nạ kính cường lực.
2. Đóng góp về mặt giải pháp và ứng dụng
- Nội địa hóa công nghệ: Giúp doanh nghiệp KAWASAN hoàn toàn làm chủ thiết kế phần cứng và mã nguồn phần mềm, xóa bỏ sự phụ thuộc vào bo mạch nhập khẩu nước ngoài.
- Tối ưu hóa chi phí: Việc tự gia công mạch in và đóng gói sản phẩm trong nước giúp cắt giảm thuế nhập khẩu, chi phí vận chuyển quốc tế và rút ngắn thời gian bảo hành, sửa chữa.
- Đổi mới cấu trúc phần cứng: Giải pháp tách rời bo điều khiển cảm ứng và bo nguồn/chấp hành giúp tăng độ an toàn cách ly điện áp cao (220VAC) với người dùng, đồng thời tối ưu hóa khả năng sản xuất hàng loạt theo dạng module hóa.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài:
- Các bo mạch mới dừng lại ở giai đoạn thi công mẫu thử nghiệm (prototypes) và kiểm nghiệm chức năng trong phòng thí nghiệm; chưa trải qua các quy trình kiểm thử độ bền môi trường (nhiệt độ, độ ẩm cao) và độ tương thích điện từ (EMC) quy mô lớn.
- Mạch nguồn hạ áp bằng tụ điện (không dùng biến áp) trên ổ cắm di động tuy nhỏ gọn nhưng không có tính năng cách ly điện, dòng ngõ ra bị giới hạn ở mức 100 mA và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn nếu lớp vỏ cách điện ngoài bị hỏng.
- Hệ thống điều khiển từ xa hiện tại chỉ sử dụng sóng vô tuyến RF 433 MHz cục bộ dạng điểm - điểm, chưa tích hợp kết nối mạng không dây diện rộng (Internet) để quản lý qua ứng dụng di động.
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
- Tiếp tục tối ưu hóa kích thước mạch in, chuẩn hóa quy trình lắp ráp để tích hợp vào khung vỏ hộp công nghiệp hoàn chỉnh.
- Mở rộng tích hợp các module truyền thông không dây hiện đại như Wi-Fi, Zigbee hoặc Bluetooth Mesh nhằm kết nối thiết bị vào hệ thống quản lý nhà thông minh qua điện thoại thông minh và máy tính bảng.
- Phát triển các thuật toán chống nhiễu nâng cao cho phím cảm ứng CVD khi bề mặt kính bị đọng nước hoặc trong điều kiện độ ẩm không khí thay đổi đột ngột.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho các đối tượng và mục đích nghiên cứu sau:
- Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Kỹ thuật Máy tính: Có thể tham khảo làm tài liệu hướng dẫn quy trình thiết kế hoàn chỉnh một thiết bị điện tử thương mại, từ khâu khảo sát nguyên lý, tính toán công suất, thiết kế schematic, vẽ mạch in PCB đến lập trình vi điều khiển PIC.
- Kỹ sư thiết kế phần cứng và kỹ sư nhúng:
- Tham khảo công thức và quy trình tính toán khả năng chịu dòng của đường mạch in PCB theo tiêu chuẩn IPC-2223.
- Ứng dụng phương pháp tính toán mạch nguồn hạ áp không biến áp dùng tụ điện (Capacitive power supply) cho các thiết bị kích thước siêu nhỏ.
- Kế thừa thuật toán giải mã tín hiệu RF EV1527 bằng ngắt timer và kỹ thuật quét phím cảm ứng điện dung CVD của Microchip.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn chuẩn mã hóa Learning Code (EV1527) thay vì Fix Code (PT2262)?
Theo Bảng 2.1 trong văn bản, chuẩn Fix Code (dùng chip PT2262) chỉ cung cấp tối đa 6.561 địa chỉ, phương pháp mã hóa thủ công bằng cách gạt switch hoặc hàn chân, độ bảo mật thấp và rất khó mở rộng thiết bị. Trong khi đó, Learning Code (dùng chip EV1527) cung cấp không gian địa chỉ lên tới 1.048.576 mã ($2^{20}$), mã hóa tự động và cho phép vi điều khiển học, lưu hoặc xóa mã remote trực tiếp vào bộ nhớ, giúp nâng cao độ bảo mật và dễ dàng thêm mới thiết bị.
2. Khả năng chịu tải của mạch ổ cắm cố định 2 lỗ được tính toán và kiểm chứng như thế nào?
Khả năng chịu tải được xác lập dựa trên 3 yếu tố: (1) Tiếp điểm Relay Songle 12V chịu dòng định mức tối đa 30A ở điện áp 250VAC; (2) Công suất tải thiết kế đáp ứng 2000W cho tải thuần trở và 1000W (2HP) cho tải động cơ; (3) Độ rộng đường mạch in được tính toán theo tiêu chuẩn IPC-2223 ($k=0.048, \Delta T=20^\circ\text{C}, A=275.6\text{ mils}^2$), cho dòng chịu tải tối đa là $10.45\text{A}$, tương ứng công suất tải định mức mà đường mạch chịu đựng được là $2301.2\text{W}$.
3. Mạch nguồn không biến áp trong ổ cắm di động hoạt động theo nguyên lý nào và có các thông số gì?
Mạch sử dụng tụ hạ áp $C_1 = 1.5\mu\text{F}$ (tính toán lý thuyết $1.44\mu\text{F}$ để tạo dòng ngõ ra 100 mA từ lưới 220VAC/50Hz) mắc song song điện trở xả áp $R_1=470\text{k}\Omega$. Sau cầu chỉnh lưu 1N4007 và tụ lọc $C_2=1000\mu\text{F}/25\text{V}$, nguồn được ổn áp qua Diode Zener 12V (cấp cho relay) và Diode Zener 5.1V (cấp cho vi điều khiển). Điện trở gánh $R_2=10\Omega/1\text{W}$ được lắp đặt ở ngõ vào để chống nổ tụ/diode do xung dòng ban đầu và tản nhiệt cho mạch.
4. Quy trình vi điều khiển phân biệt và giải mã khung truyền tín hiệu RF từ IC EV1527 diễn ra như thế nào?
Vi điều khiển chia chu kỳ dữ liệu $T_D$ thành 4 khoảng thời gian $t$. Quá trình giải mã gồm: nhận diện xung bắt đầu (mức cao $t$ + mức thấp $31t$); sau đó đọc 24 bit liên tiếp (nếu mức cao $t$ + mức thấp $3t$ là bit '0'; nếu mức cao $3t$ + mức thấp $t$ là bit '1'). Sau khi thu đủ 24 bit, vi điều khiển so sánh chuỗi mã nhận được với mã đã lưu trong bộ nhớ để thực hiện lệnh đóng/ngắt relay tương ứng.
5. Cơ chế học lệnh bật và tắt cho thiết bị được lập trình ra sao?
Khi người dùng nhấn giữ nút trên thiết bị $>5\text{ giây}$, vi điều khiển chuyển sang chế độ học lệnh và chớp đèn LED báo hiệu. Khi có tín hiệu RF gửi đến, mã nhận được đầu tiên sẽ được ghi vào vị trí "mã bật", thiết bị tắt LED và chuyển sang chế độ chờ "mã tắt". Khi nhận tiếp mã thứ hai, vi điều khiển ghi vào vị trí "mã tắt", sau đó thoát chế độ học lệnh và lưu dữ liệu. Nếu sau 10 giây không nhận được tín hiệu RF, hệ thống sẽ tự động hủy và thoát chế độ học lệnh.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Mai Thanh Định và Đinh Vũ Bảo Lộc đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống bo mạch điều khiển cho các sản phẩm nhà thông minh KAWASAN. Các giải pháp kỹ thuật từ giải mã sóng RF 433 MHz chuẩn EV1527, công nghệ cảm ứng điện dung CVD đến thiết kế mạch nguồn AC-DC và nguồn hạ áp không biến áp đều được tính toán và thực nghiệm chính xác. Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng tự chủ hoàn toàn trong thiết kế và chế tạo phần cứng nhúng nội địa, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn công suất dân dụng và mở ra tiềm năng thương mại hóa thực tế cho doanh nghiệp.
