Chương 1: Giới thiệu. Ở chương này trình bày tổng quan về hệ thống điều khiển cùng với các mục tiêu đặt ra, phân tích để đưa ra giới hạn cũng như phạm vi nghiên cứu đồ án. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này sẽ giới thiệu về các lý thuyết liên quan tới tất cả các vấn đề cần giải quyết (các loại IC, chuẩn giao tiếp, nguyên lý hoạt động hệ thống phần cứng…) - Chương 3: Thiết kế hệ thống.
Chương này sẽ giới thiệu chi tiết về ý tưởng thiết kế, lựa chọn giải pháp, thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm. - Chương 4: Kết quả. Giới thiệu về các kết quả đạt được của đề tài. - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.
Chương này sẽ tổng kết lại các vấn đề đã giải quyết được của đề tài, đồng thời đề ra các hướng phương pháp triển xa hơn (hoàn thiện hơn) cho đề tài. 3 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO R3 2.1 Giới thiệu Arduino UNO R3 là board mạch ARDUINO thuộc dòng UNO thế hệ thứ 3 (R3) khá phổ biến và dựa trên nền tảng vi điều khiển Atmega 328. Giúp người dùng dễ giao tiếp và tiếp cận. Bên dưới là hình ảnh Board thực tế: Hình 2.1 : Board Arduino Uno R3 2.2 Thông số kỹ thuật Vi điều khiển ATmega328P họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 20 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader 4 do an SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Kích thước 68.1: Một vài thông số của Arduino UNO R3 Bên dưới là sơ đồ chi tiết các chân: Hình 2.2: Sơ đồ chân chi tiết Arduino UNO R3 2.2 KIT NODEMCU ESP8266 2.1 Giới thiệu Là kit phát triển dựa trên nền chip WiFi SoC ESP8266EX bên trong ESP-12E hay còn gọi là NodeMCU Dev KIT với thiết kế dễ sử dụng có tích hợp luôn thu nhận được WIFI và đặc biệt là sử dụng trực tiếp trên trình biên dịch của Arduino IDE để lập trình và nạp chương trình.
Được dùng trong các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến công nghệ IOT. Board còn tích hợp IC CP2102, giúp dễ dàng giao tiếp với máy tính thông qua Micro USB để thao tác với board. Hình Kit ngoài thực tế: 5 do an Hình 2.3: Kit ESP8266 NodeMCU v1.2 Thông số kỹ thuật IC chính Chip: ESP8266 WiFi SoC (ESP8266EX) WIFI: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n Phiên bản firmware: NodeMCU v1.0 Lua – ESP8266 12E Điện áp hoạt động: 3.3V Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0) Bộ nhớ Flash: 4MB Số chân Analog Input: 1 Giao tiếp: qua thư viện CP2102 dùng Cable Micro USB Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2 Kích thước: 25 x 50 mm Tích hợp giao thức TCP/IP Bên dưới đây là các chân và sơ đồ chi tiết từng chân của KIT nodeMCU: 6 do an Hình 2.4: Cấu hình chân của NodeMCU 2.3 MẠCH CHUYỂN GIAO TIẾP LCD SANG I2C 2.1 Giới thiệu Do LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển, nên Module chuyển đổi I2C ra đời khắc phục cho nhược điểm trên. Thay vì sử dụng tất cả các chân của LCD thì với I2C chỉ cần sử dụng hai chân tín hiệu là SCL và SDA.
Chuẩn I2C là gì? I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit. Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau. I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: + Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) chỉ do Master phát đi (100kHz - 400kHz). Mức cao nhất là 1Mhz và 3.
+ Một đường dữ liệu (SDA) truyền theo 2 hướng. Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng 7 bit để định địa chỉ, do đó trên một bus có thể có tới 2^7 địa chỉ tương ứng với 128 thiết bị có thể kết nối. Bit còn lại quy định việc đọc hay ghi dữ liệu (1 là write, 0 là read). Dưới đây là mô tả cho chuẩn giao tiếp I2C: 7 do an Hình 2.5: Chuẩn giao tiếp I2C 2.2 Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động: 2.5 – 6V DC Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) Giao tiếp: I2C Địa chỉ mặc định: 0X27 Kích thước: 41.3mm(H) Trọng lượng: 5g Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.3 Sơ đồ kết nối Dưới đây là sơ đồ kết nối và chân của mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C: Hình 2.6: Mạch chuyển đổi giao tiếp và sơ đồ kết nối 8 do an Hình 2.7: LCD được kết nối với mạch chuyển giao tiếp 2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 2.1 Giới thiệu Cảm biến DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay, giá thành rẻ, dễ lấy dữ liệu qua ngõ ra Digital duy nhất (one – wire). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp thu được chính xác dữ liệu như tính toán. Có thể đo được cả nhiệt độ và độ ẩm song song.8: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 2.2 Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động: 3-5.5V DC Dòng sử dụng khi truyền dữ liệu: 2. Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz Thời gian truyền tín hiệu tối đa: 20m Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH Dải nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số nhiệt độ: ± 2 độ C 9 do an 2.3 Sơ đồ chân Dưới đây là kết cấu chân của cảm biến: Hình 2.9: Các chân của DHT11 DHT11 có 4 chân như sau: - VCC: Kết nối với nguồn dương từ 3 đến 5.
- DATA: chân dùng để giao tiếp với vi điều khiển. - NC: chân để hở. - GND: Kết nối với nguồn 0V (GND). Module ra chân DHT11 trên thị trường: Hình 2.10: Module DHT11 ra chân sẵn 2.5 MẠCH THỜI GIAN THỰC DS3231 2.1 Giới thiệu DS3231 là IC thời gian thực giá rẻ, rất chính xác với thạch anh tích hợp sẵn có khả năng điều chỉnh nhiệt.
IC có đầu vào cho pin riêng, tách biệt khỏi nguồn chính đảm bảo cho việc giữ thời gian chính xác. Thạch anh tích hợp sẵn giúp tăng độ chính xác trong thời gian dài hoạt động và giảm số lượng linh kiện cần thiết khi làm board. Thời gian trong IC được giữ ở dạng: giờ, phút, giây, ngày, thứ, tháng, năm. Giao tiếp với IC được thực hiện thông qua I2C bus.
Ngoài ra trong chip còn có mạch điện áp chuẩn dùng để theo dõi trạng thái của nguồn, phát hiện lỗi nguồn, tự động chuyển nguồn khi có vấn đề. 10 do an Hình 2.2 Thông số kỹ thuật Size: dài 38mm, rộng 22mm, cao 14mm Khối lượng 8g Điện thế hoạt động 3.5V Cảm biến nhiệt trên IC có độ chính xác ± 3 ℃ I2C bus có tốc độ tối đa 400Khz Kèm thêm pin sạc được CR2032 Kèm thêm memory IC AT24C32 (32k bits) 2.1 Giới thiệu Relay là thiết bị đóng ngắt cơ bản, nó như một công tắc điện tử được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống và trong các thiết bị điện tử. Relay có 2 trạng thái “đóng và mở”. Trên thị trường có 2 loại Module là: Module rơ-le đóng ở mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng), Module rơ-le đóng ở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng).
Sự khác nhau này là do có 2 loại Transistor là NPN - kích ở mức cao, và PNP - kích ở mức thấp. Relay gồm có: - Cơ cấu tiếp thu: Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian. - Cơ cấu trung gian: Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cho Relay tác động. - Cơ cấu chấp hành: Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển.2 Cấu tạo Relay Các chân đấu nối và chân chuyển mạch của rơle thường được ký hiệu là COM (POLE), NC và NO: - COM là chân chung, nơi kết nối đường cấp nguồn chờ.
- NC và NO là 2 chân chuyển đổi. Trong đó: NC là chân thường đóng và NO là chân thường mở (hay dùng để nối với thiết bị). Hình ảnh minh họa cho một role điện thực tế: Hình 2.12: Cấu tạo của role 2.3 Cách thức hoạt động Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC, NO và COM. Bình thường khi cuộn hút chưa được cấp điện, chân COM luôn kết nối với chân NC.
Khi cuộn dây AB được cấp điện, chân COM sẽ kết nối với NO của role. Relay bình thường gồm 6 chân trong đó 3 chân dùng để kích, 3 chân còn lại nối với đồ dùng điện AC hoặc DC. Hình ảnh Module relay trên thị trường: Hình 2.13: Module relay 2 kênh 12 do an - Thông số kỹ thuật: Điện áp vào 5V. Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA.
Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A. Có đèn báo đóng ngắt. Có thể chọn mức tín hiệu kích HIGH (5V) hoặc LOW (0V) qua Jumper trên mỗi relay. Kích thước: 52 (L) * 41(W) * 19 (H) mm.
- Các chân của module: DC+, DC-: Cấp điện thế kích 5V vào chân này và GND. IN1, IN2: Chân tín hiệu thường được nối với chân của vi điều khiển. COM: Nối vào Nguồn của thiết bị nếu dùng điện xoay chiều và nối vào cực dương nếu dùng điện một chiều. NO: Nối vào chân dương (DC) của thiết bị và một đầu bất kì từ thiết bị ra (AC).
NC: thường thì ít sử dụng chân này.7 CHUẨN TRUYỀN THÔNG UART 2.1 Giới thiệu UART viết tắt của cụm (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) thường là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi, chuyển đổi giữa dữ liệu nối tíêp và song song. Có nhiều cách làm để thực hiện điều đó, bao gồm bắt tay (handshaking), bộ đệm (buffering), dùng dò (polling) và ngắt (interrupts) để phát hiện dữ liệu đã đến, kiểm soát lỗi (error checking), và thừa nhận dữ liệu đã tới (acknowledging). Mỗi liên kết có thể dùng một hoặc nhiều cách trong số những cách này. Dưới đây là hình ảnh kết nối của chuẩn UART: Hình 2.14: Cơ cấu giao tiếp UART 13 do an 2.