Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật và công nghệ Internet of Things (IoT) phát triển nhanh chóng, việc ứng dụng các thiết bị thông minh như điện thoại thông minh (smartphone), đồng hồ thông minh vào tự động hóa gia đình trở thành xu hướng tất yếu của các công trình hiện đại. Tại Việt Nam, nhiều viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp đã phát triển các hệ thống nhà thông minh (smart home). Tuy nhiên, việc ứng dụng thực tế vẫn gặp nhiều rào cản do chi phí đầu tư ban đầu cao, chi phí vận hành chưa tối ưu và giao diện điều khiển chưa thực sự thân thiện với người dùng. Các đề tài nghiên cứu cấp sinh viên trước đây thường chỉ tập trung vào các giải pháp đơn lẻ như điều khiển qua tin nhắn SMS, sóng vô tuyến RF hoặc Bluetooth, sử dụng các vi điều khiển 8-bit hoặc các nền tảng cơ bản như PIC, Arduino với tập cảm biến giới hạn.
Nhằm giải quyết những hạn chế trên và bắt kịp xu hướng phát triển phần cứng nhúng hiện đại sử dụng vi xử lý 32-bit, đề tài "Thiết kế và thi công hộp điều khiển thiết bị điện trong nhà" do nhóm sinh viên Lê Tấn Đạt và Lê Văn Hùng thực hiện (dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Vân Hoàn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã chọn vi điều khiển 32-bit STM32F407VET6 trên nền lõi ARM Cortex-M4 làm bộ xử lý trung tâm.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh một hộp điều khiển thiết bị điện trong nhà gồm khối mạch điều khiển và khối mạch công suất, đáp ứng các chức năng cụ thể:
- Điều khiển, giám sát trạng thái và cài đặt hẹn giờ bật/tắt cho 5 thiết bị điện xoay chiều AC 220V trực tiếp trên màn hình cảm ứng 7 inch.
- Thu thập và hiển thị các thông số môi trường gồm nhiệt độ, độ ẩm và thông tin thời gian thực.
- Cho phép người dùng điều khiển, giám sát trạng thái thiết bị từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh Android kết nối mạng Wi-Fi và tích hợp giám sát hình ảnh qua camera IP.
- Tích hợp tính năng giải trí đa phương tiện thông qua khả năng đọc thẻ nhớ và giải mã phát âm thanh định dạng MP3.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Để hoàn thành mục tiêu, đề tài triển khai 10 nội dung nghiên cứu đánh số cụ thể:
- Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển thông minh hiện có trên thị trường.
- Nội dung 2: Đưa ra các giải pháp hoạt động tổng thể và thiết kế sơ đồ khối của hệ thống.
- Nội dung 3: Thiết kế và thi công khối mạch công suất.
- Nội dung 4: Thiết kế và thi công mạch điều khiển trung tâm giao tiếp giữa STM32F407VET6 với cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến ánh sáng, màn hình đồ họa GLCD, thẻ nhớ microSD, vi mạch giải mã âm thanh VS1003, module Wi-Fi ESP8266 và mạch công suất.
- Nội dung 5: Thiết kế giao diện người dùng trên màn hình cảm ứng GLCD 7 inch và xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android bằng công cụ Android Studio.
- Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển nhúng cho vi điều khiển STM32F407VET6 trên môi trường Keil µVision 5.
- Nội dung 7: Lắp ráp liên kết các khối phần cứng và tiến hành thử nghiệm điều khiển tải thực tế.
- Nội dung 8: Kiểm tra, phát hiện và chỉnh sửa các lỗi phát sinh trong quá trình vận hành.
- Nội dung 9: Biên soạn báo cáo thuyết minh luận văn tốt nghiệp.
- Nội dung 10: Bảo vệ luận văn trước hội đồng chuyên môn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhúng điều khiển thiết bị điện gia dụng, phương pháp điều khiển góc kích Triac thay đổi điện áp xoay chiều, các chuẩn giao tiếp truyền thông công nghiệp/ngoại vi (FSMC, SDIO, SPI, I2C, UART) và ứng dụng di động giám sát.
- Phạm vi không gian và công suất: Hệ thống được thiết kế và chế tạo để ứng dụng trong không gian gia đình (indoor), phục vụ đóng cắt và điều khiển các thiết bị có công suất nhỏ như đèn chiếu sáng, quạt điện, tivi, đầu đĩa DVD.
- Phạm vi cảm biến: Sử dụng các module cảm biến môi trường phổ thông với độ chính xác ở mức đo đạc dân dụng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa kỹ thuật phần cứng nhúng 32-bit, lý thuyết điều khiển công suất điện xoay chiều một pha và lập trình ứng dụng di động.
| Thành phần kỹ thuật |
Nền tảng / Công nghệ sử dụng |
Đặc tính kỹ thuật chính trong đồ án |
| Lõi xử lý trung tâm |
ARM Cortex-M4 (STM32F407VET6) |
Kiến trúc Harvard 32-bit, pipeline 3 đoạn, tập lệnh Thumb-2, hỗ trợ FPU, xung nhịp cấu hình qua HSE/HSI, bộ điều khiển ngắt lồng nhau NVIC. |
| Giao tiếp bộ nhớ & LCD |
FSMC (Flexible Static Memory Controller) |
Giao tiếp song song 16-bit, quản lý Bank 1 (NOR/PSRAM) để giao tiếp tốc độ cao với vi mạch điều khiển hiển thị SSD1963. |
| Hiển thị & Cảm ứng |
Module LCD TFT ER-TFTM070-4V2.1 |
Kích thước 7.0 inch, độ phân giải 800x480 pixel, IC điều khiển màn hình SSD1963, IC cảm ứng điện dung FT5206 giao tiếp I2C. |
| Giao tiếp thẻ nhớ |
Chuẩn SDIO (Secure Digital Input Output) |
Kết nối 4-bit / 1-bit dữ liệu, hỗ trợ đọc hệ thống tệp trên thẻ nhớ microSD tốc độ cao (xung nhịp lên đến 48 MHz). |
| Giải mã âm thanh |
Vi mạch VS1003 / VS1003B |
Giải mã phần cứng định dạng âm thanh MP3, giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn SPI nối tiếp. |
| Truyền thông không dây |
Module Wi-Fi ESP8266 V12 |
Kết nối mạng không dây IEEE 802.11 b/g/n, giao tiếp dữ liệu nối tiếp UART với STM32. |
| Cảm biến môi trường |
DHT11 & BH1750 |
DHT11 thu thập nhiệt độ - độ ẩm đơn dây (Single-wire); BH1750 đo cường độ ánh sáng qua chuẩn I2C. |
| Điều khiển điện áp AC |
Mạch phát hiện điểm 0 & Triac |
Phát hiện thời điểm điện áp AC về 0V (Zero-crossing) để định thời kích xung Triac theo góc kích $\alpha$ ($0^\circ - 180^\circ$). |
| Nền tảng di động |
Hệ điều hành Android |
Kiến trúc 5 lớp (Applications, Framework, Libraries, Android Runtime Dalvik, Linux Kernel); phát triển trên Android Studio bằng ngôn ngữ Java. |
Phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
Để thay đổi độ sáng của đèn hoặc tốc độ của quạt xoay chiều, tác giả áp dụng phương pháp điều khiển góc kích $\alpha$ của Triac kết hợp điều chế độ rộng xung (PWM) và mạch phát hiện điểm 0 (Zero-Crossing Detector). Điện áp hiệu dụng $U_T$ đặt lên tải được tính theo biểu thức lý thuyết:
$$U_T = U \sqrt{1 - \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin 2\alpha}{2\pi}}$$
Trong đó:
- $U$: Điện áp hiệu dụng xoay chiều ở ngõ vào (lưới điện 220V/50Hz).
- $U_T$: Điện áp hiệu dụng ngõ ra đặt lên tải.
- $\alpha$: Góc kích của Triac, biến thiên trong khoảng từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ (tương ứng từ $0$ đến $\pi$ rad).
Khi điện áp lưới đạt tần số 50Hz, nửa chu kỳ kéo dài 10ms. Mạch phát hiện điểm 0 tạo một xung ngắt gửi về vi điều khiển STM32 mỗi khi sóng sin điện áp cắt mức 0V. Vi điều khiển sẽ tính toán khoảng thời gian trễ từ 0 đến 10ms tương ứng với góc $\alpha$ mong muốn trước khi phát xung kích dẫn Triac, từ đó điều chỉnh mượt mà giá trị điện áp hiệu dụng ngõ ra.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng rõ ràng, tách biệt giữa mạch điều khiển xử lý tín hiệu nhỏ và mạch công suất xử lý dòng tải lớn để hạn chế tối đa hiện tượng nhiễu công nghiệp.
+-------------------------------------------------------+
| KHỐI NGUỒN LM2576 |
| (Hạ áp cấp nguồn 5V/3.3V) |
+---------------------------+---------------------------+
|
v
+-----------------------+ +---------------+ +------------------------+
| KHỐI CẢM BIẾN | | | | KHỐI HIỂN THỊ |
| - Cảm biến DHT11 |->| |->| - LCD TFT 7" 800x480 |
| - Cảm biến BH1750 | | | | - Cảm ứng FT5206 (I2C) |
+-----------------------+ | VI XỬ LÝ | +------------------------+
| TRUNG TÂM |
+-----------------------+ | STM32F407VET6 | +------------------------+
| KHỐI TRUYỀN THÔNG | | (ARM Cortex | | KHỐI GIẢI MÃ & LƯU |
| - Module Wi-Fi |<-| -M4) |->| - Thẻ nhớ MicroSD(SDIO)|
| ESP8266 V12 (UART) | | | | - IC VS1003B MP3 (SPI) |
+-----------------------+ +---------------+ +------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------+
| KHỐI MẠCH CÔNG SUẤT |
| - Mạch phát hiện điểm 0 (Zero-Crossing Detection) |
| - Điều khiển Triac đóng/cắt & điều áp 5 kênh AC 220V |
| - Mạch PWM DC (0 - 16VDC) sử dụng MOSFET IRF640 |
+-------------------------------------------------------+
1. Thiết kế phần cứng
- Khối nguồn: Sử dụng IC nguồn hạ áp xung LM2576-5.0 chuyển đổi nguồn cung cấp đầu vào thành mức điện áp ổn định 5VDC, sau đó phối hợp cùng các IC ổn áp tuyến tính 3.3V cấp nguồn cho vi điều khiển, màn hình và các khối giao tiếp ngoại vi.
- Khối điều khiển trung tâm: Mạch in (PCB) được thiết kế dạng 2 lớp (Top Layer và Bottom Layer), tối ưu hóa đường mạch kết nối giữa STM32F407VET6 với bus dữ liệu song song FSMC của màn hình LCD 7 inch, đường truyền SDIO đến khe cắm thẻ MicroSD, giao tiếp SPI đến IC giải mã âm thanh VS1003B và chân UART nối với module ESP8266.
- Khối mạch công suất: Tách biệt trên bo mạch công suất riêng, bao gồm mạch cách ly quang phát hiện điểm 0, các cổng ra điều khiển tải xoay chiều AC 220V qua Triac có bảo vệ chống quá áp, và mạch điều khiển điện áp một chiều 0–16VDC sử dụng transistor hiệu ứng trường MOSFET IRF640.
- Đóng gói vỏ hộp và mô hình: Thiết bị được gia công lắp ráp hoàn chỉnh trong hộp điều khiển bảo vệ; mặt trên tích hợp màn hình cảm ứng điện dung 7 inch; bố trí công tắc nguồn chính, các cổng cắm tải đầu ra và vị trí cảm biến môi trường.
2. Thiết kế phần mềm và giải thuật
- Phần mềm nhúng (Firmware STM32): Được xây dựng bằng ngôn ngữ C trên nền Keil µVision 5. Chương trình chính vận hành thông qua hàm điều phối
Run() kết hợp hệ thống ngắt ngoại vi, chia thành các luồng xử lý giao diện màn hình cảm ứng:
- Tab Home: Quản lý giám sát và chuyển đổi trạng thái bật/tắt trực tiếp của 5 thiết bị AC.
- Tab Setup: Thiết lập ngưỡng thông số, độ sáng đèn, góc kích công suất.
- Tab Timer: Cài đặt mốc thời gian thực để kích hoạt hẹn giờ bật hoặc tắt tự động cho từng kênh thiết bị.
- Tab Music: Đọc danh sách bài hát từ thẻ nhớ MicroSD qua chuẩn SDIO, truyền luồng dữ liệu đến VS1003B qua SPI để giải mã âm thanh.
- Tab System: Hiển thị thông số vận hành tổng thể và trạng thái kết nối mạng của hệ thống.
- Ứng dụng di động (Android App): Lập trình trên công cụ Android Studio (ngôn ngữ Java) với cấu trúc phân tầng Activity, Service và Intent. Ứng dụng cung cấp các giao diện:
- Giao diện chính kết nối mạng Wi-Fi và tìm kiếm thiết bị.
- Giao diện tùy chỉnh trạng thái bật/tắt thiết bị theo thời gian thực.
- Giao diện hẹn giờ đồng bộ với hộp điều khiển trung tâm.
- Giao diện tích hợp luồng phát video giám sát từ Camera IP trực tiếp trên màn hình điện thoại.
Nội dung chính theo từng chương
Bố cục của đồ án được tổ chức thành 6 chương với các nội dung trọng tâm như sau:
Chương 1. Tổng quan
Trình bày tính cấp thiết của đề tài, lý do lựa chọn nghiên cứu hộp điều khiển thiết bị điện trong nhà. Đặt ra mục tiêu tổng thể về việc làm chủ phần cứng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4 STM32F407VET6, xây dựng giao diện cảm ứng tại chỗ 7 inch và điều khiển từ xa qua smartphone Android. Xác định chi tiết 10 nội dung nghiên cứu cần giải quyết cùng các giới hạn về tải tiêu thụ dân dụng và phạm vi đo lường môi trường trong nhà.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Nghiên cứu cấu trúc phần cứng vi xử lý ARM Cortex-M4 với tập lệnh Thumb-2 và đường ống pipeline 3 đoạn. Phân tích chi tiết các ngoại vi của STM32F407 gồm hệ thống bus dữ liệu, cấu trúc bộ nhớ SRAM/Flash, bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh FSMC kết nối màn hình LCD, chuẩn giao tiếp thẻ nhớ tốc độ cao SDIO, các ngoại vi SPI, I2C, USART và các chế độ ngắt NVIC. Trình bày lý thuyết điều khiển điện áp xoay chiều một pha bằng cách dịch pha góc kích Triac theo xung đồng bộ từ mạch phát hiện điểm 0. Khái quát kiến trúc hệ điều hành Android, vòng đời Activity, cơ chế Intent, Service và giới thiệu môi trường phát triển Android Studio.
Chương 3. Tính toán và thiết kế
Xây dựng sơ đồ khối chi tiết toàn hệ thống. Tính toán lựa chọn thông số linh kiện cho khối nguồn hạ áp 5V sử dụng IC LM2576, mạch phát hiện điểm 0 sử dụng optocoupler cách ly, mạch công suất AC Triac, mạch băm xung PWM DC sử dụng MOSFET IRF640. Thiết kế sơ đồ nguyên lý ghép nối vi điều khiển STM32F407VET6 với màn hình LCD TFT ER-TFTM070-4V2.1 (chip điều khiển SSD1963, cảm ứng FT5206), khối giải mã âm thanh VS1003B, khối giao tiếp thẻ MicroSD, module Wi-Fi ESP8266 V12, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và cảm biến ánh sáng BH1750.
Chương 4. Thi công hệ thống
Trình bày quy trình thiết kế mạch in PCB 2 lớp cho cả bo mạch điều khiển và bo mạch công suất. Thao tác gia công hàn cắm, lắp ráp linh kiện, kiểm tra thông mạch và đóng gói vỏ hộp điều khiển hoàn chỉnh. Giới thiệu các bước cài đặt gói phần mềm hỗ trợ STM32F4 cho Keil µVision 5 và thiết lập môi trường Android Studio. Trình bày chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển của các hàm chức năng trên vi điều khiển (Run(), Tab Home, Tab Setup, Tab Timer, Tab Music) cùng quy trình thao tác chuẩn của người dùng trên màn hình cảm ứng và trên ứng dụng điện thoại.
Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá
Trình bày hình ảnh và kết quả thử nghiệm thực tế của sản phẩm sau khi thi công: phần cứng mạch in hoạt động ổn định, hộp điều khiển hiển thị đầy đủ thông số môi trường trên giao diện màn hình màu cảm ứng 7 inch; ứng dụng Android kết nối mượt mà với ESP8266 để điều khiển đóng/cắt 5 tải xoay chiều AC 220V, hẹn giờ chuẩn xác, phát nhạc MP3 từ thẻ nhớ và hiển thị hình ảnh từ Camera IP. Đưa ra nhận xét khách quan về độ ổn định của mạch công suất và độ nhạy của màn hình cảm ứng.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển
Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ so với các mục tiêu ban đầu đề ra. Xác định các ưu điểm đạt được về tính tích hợp đa chức năng và chi phí gia công hợp lý, đồng thời chỉ rõ những điểm còn tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
- Phần cứng hoàn chỉnh: Thi công thành công 02 bo mạch in PCB (bo điều khiển trung tâm và bo mạch công suất), được đóng hộp hoàn chỉnh với nguồn cấp tích hợp, bảo đảm an toàn điện giữa phần công suất cao áp AC 220V và phần điều khiển số 3.3V/5V.
- Khả năng điều khiển và giám sát:
- Điều khiển đóng ngắt và thay đổi điện áp hiệu dụng cho 5 tải AC 220V độc lập.
- Đo đạc và hiển thị trực tiếp giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ DHT11 và ánh sáng từ BH1750 lên màn hình LCD 7 inch với độ trễ thấp.
- Chức năng định thời gian thực và hẹn giờ hoạt động chính xác cho từng thiết bị.
- Đọc tệp và phát nhạc định dạng MP3 chất lượng cao trực tiếp từ thẻ nhớ microSD thông qua IC VS1003B.
- Ứng dụng di động: Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng Android có giao diện đồ họa trực quan, cho phép cấu hình thiết bị, điều khiển tải qua mạng Wi-Fi nội bộ bằng module ESP8266 và xem trực tiếp luồng video giám sát từ camera IP trên cùng một ứng dụng.
Đóng góp của đề tài
So với các đồ án tốt nghiệp cùng thời điểm chỉ dừng lại ở việc dùng vi điều khiển 8-bit cơ bản để điều khiển rơ-le hoặc chỉ truyền thông qua Bluetooth đơn giản, đề tài đã mang lại các đóng góp cụ thể:
- Ứng dụng thành công dòng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao ARM Cortex-M4 (STM32F407), khai thác hiệu quả các ngoại vi phức tạp như FSMC điều khiển màn hình LCD lớn và SDIO truyền thông dữ liệu tốc độ cao.
- Xây dựng một hệ thống tích hợp "tất cả trong một" (All-in-One): vừa là trung tâm điều khiển điện thông minh, vừa là trạm quan trắc môi trường trong nhà, vừa là thiết bị giải trí phát nhạc MP3 và trung tâm giám sát an ninh camera IP.
- Cung cấp quy trình tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý, bố trí layout PCB và lưu đồ giải thuật chi tiết, có giá trị thực tiễn cao cho việc chế tạo sản phẩm nhúng tự động hóa dân dụng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Hệ thống mới chỉ phục vụ đóng cắt các thiết bị điện dân dụng có công suất vừa và nhỏ trong không gian kín (indoor).
- Cảm biến môi trường sử dụng các module phổ thông (như DHT11) nên độ chính xác và dải đo lường còn ở mức cơ bản.
- Chưa phát triển hệ thống điều khiển từ xa qua nền tảng đám mây (Cloud/Server Internet) bên ngoài mạng Wi-Fi cục bộ.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Nâng cấp phần cứng công suất để chịu được tải dòng lớn hơn, phục vụ các thiết bị gia dụng có công suất cao trong gia đình.
- Thay thế các module cảm biến công nghiệp có độ chính xác và độ bền cao hơn.
- Mở rộng giao thức truyền thông không dây tầm xa và tích hợp máy chủ đám mây (Cloud Server) để cho phép người dùng giám sát, điều khiển ngôi nhà từ bất kỳ đâu qua mạng Internet 3G/4G/5G.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với:
- Sinh viên chuyên ngành: Ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng và IoT.
- Phần nội dung đáng tham khảo nhất:
- Phương pháp ghép nối vi điều khiển STM32F4 với màn hình LCD TFT qua bus FSMC: Tài liệu trình bày rõ cách cấu hình chân, thiết lập địa chỉ Bank bộ nhớ và giao thức truyền dữ liệu 16-bit.
- Mạch phát hiện điểm 0 và điều khiển Triac: Phương pháp tính toán và giải thuật ngắt đồng bộ để điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha.
- Kỹ thuật tích hợp ứng dụng Android Studio: Quy trình kết nối socket/truyền thông Wi-Fi giữa Android với ESP8266 và nhúng luồng hiển thị video camera IP.
Câu hỏi thường gặp
1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong đề tài là loại nào và có những ưu điểm gì nổi bật?
Đề tài sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F407VET6 thuộc dòng ARM Cortex-M4 của hãng STMicroelectronics. Vi xử lý này có kiến trúc Harvard, pipeline 3 đoạn, tập lệnh Thumb-2 tối ưu hóa kích thước mã, tích hợp bộ nhân phần cứng, hỗ trợ xử lý số thực FPU, quản lý ngắt lồng nhau NVIC linh hoạt, tiêu thụ điện năng thấp và sở hữu hệ thống ngoại vi phong phú (FSMC, SDIO, SPI, I2C, USART).
2. Màn hình cảm ứng trên hộp điều khiển có thông số kỹ thuật ra sao và được ghép nối qua giao tiếp nào?
Hệ thống sử dụng module màn hình ER-TFTM070-4V2.1 kích thước 7 inch, độ phân giải 800x480 pixel. Tín hiệu hiển thị được xử lý bởi vi mạch SSD1963 thông qua giao diện truyền dữ liệu song song 16-bit FSMC của STM32, trong khi tấm cảm ứng điện dung được điều khiển bởi IC FT5206 kết nối với vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp I2C.
3. Nguyên lý nào được sử dụng để điều chỉnh độ sáng đèn hoặc tốc độ quạt xoay chiều?
Tác giả áp dụng phương pháp điều khiển góc kích $\alpha$ của Triac ($0^\circ \le \alpha \le 180^\circ$) kết hợp mạch phát hiện điểm 0 (Zero-Crossing Detection). Mạch phát hiện điểm 0 gửi tín hiệu ngắt về vi điều khiển mỗi khi sóng điện áp xoay chiều 220V/50Hz chạm mức 0V (chu kỳ 10ms một lần). Vi điều khiển định thời gian trễ từ 0 đến 10ms để phát xung kích Triac, từ đó thay đổi giá trị điện áp hiệu dụng ngõ ra đặt lên tải theo công thức:
$$U_T = U \sqrt{1 - \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin 2\alpha}{2\pi}}$$
4. Hệ thống thực hiện chức năng phát nhạc MP3 và truyền thông không dây bằng những vi mạch nào?
Chức năng phát âm thanh MP3 từ thẻ nhớ MicroSD (chuẩn SDIO) được thực hiện bằng vi mạch giải mã chuyên dụng VS1003B giao tiếp qua chuẩn SPI. Chức năng truyền thông không dây với điện thoại Android được đảm nhiệm bởi module Wi-Fi ESP8266 V12 giao tiếp với STM32F407 qua cổng nối tiếp UART.
5. Những công cụ phần mềm nào đã được sử dụng để lập trình cho toàn bộ hệ thống?
Phần mềm nhúng chạy trên vi điều khiển STM32F407 được lập trình bằng ngôn ngữ C trên môi trường phát triển Keil µVision 5 tích hợp gói Pack STM32F4. Ứng dụng điều khiển và giám sát trên điện thoại thông minh được xây dựng bằng ngôn ngữ Java trên nền tảng Android Studio.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hộp điều khiển thiết bị điện trong nhà" của nhóm tác giả Lê Tấn Đạt và Lê Văn Hùng đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế và thi công một thiết bị điều khiển thông minh All-in-One trên nền tảng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4 STM32F407VET6. Hệ thống vận hành ổn định, tích hợp thành công khả năng điều khiển 5 kênh tải AC 220V với phương pháp kích Triac biến đổi điện áp, quan trắc môi trường thực tế và giải trí đa phương tiện trên màn hình màu cảm ứng 7 inch. Đồng thời, việc kết nối không dây với ứng dụng di động Android cùng tính năng nhúng camera IP đã tạo nên một giải pháp hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng và tham khảo học thuật thực tiễn cao.
