ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, các thiết bị điện tử và tự động hóa có mặt ở khắp mọi nơi, chúng ta dễ dàng bắt gặp các lĩnh vực, từ những ứng dụng đặc biệt trong công nghiệp cho đến những sản phẩm dân dụng. Ban đầu, việc điều khiển các thiết bị điện dân dụng thông qua một hệ thống gồm các phần tử nối với nhau bằng dây dẫn. Tuy nhiên, việc điều khiển thiết bị của mô hình này cần sự tác động trực tiếp của con ngƣời, trong nhiều trƣờng hợp tạo nên sự bất tiện về khoảng cách điều khiển cũng nhƣ về mặt ý thức và không đảm bảo an toàn. Còn chƣa kể đến việc mở rộng phạm vi điều khiển khá khó khắn và tốn kém chi phí.
Sự ra đời của công nghệ điện điện tử đã làm thay đổi hoàn toàn phƣơng thức điều khiển thiết bị trực tiếp nhƣ trƣớc đây.Từ không tự động đã trở nên tự động, từ trực tiếp đã trở thành gián tiếp.Việc ứng dụng vi xử lí trong điều khiển thiết bị điện có rất nhiều những ƣu điểm trong thực tế. Có thể gắn kết nhiều thứ, thiết bị đầu cuối với nhau thông qua bộ điều khiển trung tâm nhƣ máy tính, máy in,camera,…và cũng có thể ứng dụng mạng Ethernet trong điều khiển sé làm việc điều khiển trở nên cực kì dễ dàng và tiện lợi. Do đó việc điều khiển thông minh thiết bị nhu cầu hết sức cần thiết trong cuộc sống. Nắm đƣợc tầm quan trọng đó, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG”.
Có thể nói đề tài này có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn, tự động hóa, điều khiển từ xa thiết bị điện trong gia đình. Nếu mở rộng đề tài, có thể ứng dụng để điều khiển hệ thống trong công nghiệp và điều khiển với khoảng cách không giới hạn. TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI Với sự bùng nổ của ngành tự động hóa và công nghệ điện tử, công nghệ ngày phát triển, kèm với đó là nhu cầu về tiện ích trong cuộc sống của con ngƣời ngày càng cao. Do vậy, với đề tài “Thiết kế mô hìnhđiều khiển thông minh các thiết bị điện dân dụng”, việcđiều khiển các thiết bị điện trong ngôi nhà sẽ đƣợc tự động hóa hoàn toàn hay cũng thể đƣợc điều khiển dễ dàngtừ xa thông qua một hệ thống mạng Ethernet cục bộ.
Trang 1 do an Hình 1.1: Mô hình điều khiển thiết bị thông minh 1. NỘI DUNG ĐỀ TÀI - Tìm hiểu về module cảm biến PIR, bộ điều khiển từ xa bằng sóng cao tần, cách thức điều khiển quang sóng Wi-Fi LAN. - Thiết kế phần mềm và phần cứng. - Thi công hệ thống.
- Vận hành và kiểm tra tính ổn định. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Tìm hiểu về hệ thống điều khiển thông minh bằng cảm biến chuyển độngPir, cảm biến nhiệt độ. - Tìm hiểu về hệ thống điều khiển qua mạng wifi. - Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thông minh các thiết bị điện dân dụng.
ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU - Chip vi điều khiển 16F887 và 18F4550. - Module cảm biến chuyển động PIR, cảm biến nhiệt độ LM35, chip ENC28J60, bộ thu phát sóng cao tần. - Màn hình hiển thị LCD. PHƢƠNG THỨC THỰC HIỆN Quy trình thực hiện gồm 4 bƣớc sau: Trang 2 do an Hình 1.2: Quy trình thực hiện đề tài 1.
HÌNH THÀNH Ý TƢỞNG - Phƣơng thức điều khiển các thiết bị điện dân dụng. - Sự phát triển khoa học cộng nghệ trong lĩnh vực tự động hóa và điện điện tử. - Áp dụng công nghệ vào các hình thức điều khiển. THIẾT KẾ HỆ THỐNG - Nghiên cứu vận dụng những kiến thức đã học.
- Tìm hiểu dữ liệu về cảm biến PIR, cảm biến LM35, module ENC28J60, vi điều khiển PIC18F4550 và PIC16F887. - Thiết kế phần cứng hệ thống. - Thiết lập sơ đồ khối. - Thiết lập sơ đồ nguyên lý.
- Thiết kế phần mềm hệ thống. - Xây dựng lƣu đồ giải thuật hệ thống điều khiển. - Viết chƣơng trình điều khiển tự động và từ xa thiết bị điện. THI CÔNG HỆ THỐNG - Thi công mạch điều khiển.
- Thi công mạch động lực. VẬN HÀNH VÀ KIỂM TRA - Vận hành mô hình điều khiển tự động thông qua cảm biến và mô hình điều khiển thiết bị qua sóng cao tần và sóng Wi-Fi. - Kiểm tra tính ổn định trong quá trình vận hành. Trang 3 do an CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.
CƠ SỞ DỮ LIỆU THIẾT KẾ 2. VI ĐIỀU KHIỂN PIC 2. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN [1] Vi điều khiển là một máy tính đƣợc tích hợp trên một chíp, nó thƣờng đƣợc sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi nhƣ bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tƣơng tự và tƣơng tự sang số,.
Ở máy tính thì các mô đun thƣờng đƣợc xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài. Vi điều khiển thƣờng đƣợc dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD,thiết bị đa phƣơng tiện, dây chuyền tự động, v. Hầu hết các vi điều khiển ngày nay đƣợc xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng.
Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chƣơng trình (thông thƣờng là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vivà các môi trƣờng bên ngoài - tất cả các khối này đƣợc thiết kế trong một vi mạch tích hợp. Vi điều khiển khác với các bộ vi xử lý đa năng ở chỗ là nó có thể hoạt động chỉ với vài vi mạch hỗ trợ bên ngoài. VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4550 PIC18F4550 là một chip vi xử lí cơ bản đa chức năng và là một sản phẩm thuộc họ vi xử lí PIC thông dụng của công ty Microchip.1: Vi điều khiển PIC18F4550 Trang 4 do an Vi điều khiển đóng vai trò nhƣ là CPU của một hệ thống, nhận các tín hiệu đầu vào, xử lí và xuất ra các lệnh điều khiển các thiết bị đầu ra. Với bộ nhớ 32kb Flash lƣu trữ chƣơng trình.
Và cụ thể ở đồ án này là việc lƣu trữ trang web sẽ đƣợc nhúng vào vi điều khiển này. Những tính năng của PIC18F4450: Bảng 2.1: Tính năng của Vi Điều Khiển PIC18F4550 Tính năng Mô tả Operating Frequency DC – 48 MHz Program Memory (Bytes) 32768 Program Memory (Instructions) 16384 Data Memory (Bytes) 2048 Data EEPROM Memory (Bytes) 256 Interrupt Sources 20 I/O Ports Ports A, B, C, D, E Timers 4 Capture/Compare/PWM Modules 1 Enhanced Capture/ 1 Compare/PWM Modules Serial Communication MSSP, Enhanced USART Universal Serial Bus (USB) 1 Module Streaming Parallel Port (SPP) Yes 13-Bit Analog-to-Digital Module Yes Comparator 2 Resets (and Delays) POR, BOR, RESET Instruction, Stack Full, Stack Underflow (PWRT, OST), MCLR (optional), WDT Programmable Low-Voltage Yes Detect Programmable Brown-out Reset Yes Instruction Set 75 Instructions; 83 with Extended Instruction Set enabled Trang 5 do an Hình ảnh sơ đồ chân PIC Hình 2.2: Sơ đồ chân PIC18F4550 Sơ đồ nguyên lý kết nối PIC18F4550 - Nguồn hoạt động 5VDC. - Nút nhấn reset vi điều khiển. - Dao động thạch anh 20Mhz.3: Sơ đồ nguyên lí PIC18F4550 Trang 6 do an 2.
VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A Cấu hình của vi điều khiển pic 16F887 Đặc điểm thực thi tốc độ cao CPU RISC Có 35 lệnh đơn. Thời gian thực hiện tất cả các lệnh là 1 chu kì máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh là 2. Tốc độ hoạt động: - Ngõ vào xung clock có tần số 20 MHz. - Chu kì thực hiện lệnh 200 ns.
Có nhiều nguồn ngắt Có 3 kiểu định nghĩa địa chỉ trực tiếp và tức thời. Cấu trúc đặc biệt của vi điều khiển Bộ dao động nội chính xác. Có thể lựa chọn tần số từ 31 kHz đến 8 Mhz bằng phần mềm. Cộng hƣởng bằng phần mềm.
Chế độ bắt đầu bằng 2 cấp tốc độ. Mạch phát hiện hỏng dao động thạch anh cho các ứng dụng quan trọng. Có chuyển mạch nguồn xung clock trong quá trình hoạt động để tiết kiệm công suất. Có chế độ ngủ để tiết kiệm công suất.
Dãy điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5. Tầm nhiệt độ hoạt động theo chuẩn công nghiệp. Có mạch reset khi có điện (Power on reset – POR). Có bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện (Power up Timer – PWRT) và bộ định thời chờ dao động hoạt động ổn định khi mới cấp điện (Oscillator Start-up Timer – OST).
Có mạch reset khi phát hiện nguồn điện bị sụt giảm, cho phép lựa chọn bằng phần mềm (Brown out reset – BOR). Có bộ định thời giám sát (Whatchdog Timer – WDT) dung dao động trong chip cho phép bằng phần mềm (có thể định thời lên đến 268 giây). Đa hợp ngõ vào reset với ngõ vào có điện trở kéo lên. Có bảo vệ code đã lập trình Bộ nhớ Flash cho phép xóa và lập trình 100.
Trang 7 do an Bộ nhớ Eeprom cho phép xóa và lập trình 1.000 lần và có thể tồn tại. Cho phép đọc/ ghi bộ nhớ chƣơng trình khi mạch hoạt động. Có tích hợp mạch gỡ rối. Cấu trúc ngoại vi Có 35 chân I/O cho phép lựa chọn hƣớng độc lập.
Mỗi ngõ ra có thể nhận/ cấp dòng lớn khoảng 25mA nên có thể trực tiếp điều khiển led. Có các port báo ngắt khi có mức thay đổi logic. Có các port điện trở kéo lên bên trong có thể lập trình. Có ngõ vào báo thức khỏi chế độ công suất cực thấp.
Có mudule so sánh tƣơng tự. Có 2 bộ so sánh điện áp tƣơng tự. Có mudule nguồn điện áp tham chiếu có thể lập trình. Có nguồn điện áp tham chiếu cố định có giá trị bằng 0,6V.
Có các ngõ vào các ngõ ra của bộ so sánh điện áp. Có chế độ chốt SR. Có bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số : có 14 bộ chuyển đổi tƣơng tự với độ phân giải 10 bit. Có timer0: 8 bit hoạt động định thời / đếm xung ngoại có bộ chia trƣớc có thể lập trình.
Có timer1: - 16 bit hoạt động định thời / đếm xung ngoại có bộ chia trƣớc có thể lập trình. - Có ngõ vào cổng của timer1 để có thể điều khiển timer1 đếm từ tín hiệu bên ngoài.