THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CƠ SỞ DỮ LIỆU THIẾT KẾ
2.1.1.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN [1]
Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên một chíp, chủ yếu được sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Nó bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp, khác với các bộ vi xử lý đa năng trong máy tính Vi điều khiển kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, mô đun vào/ra, và các mô đun chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự và ngược lại Trong khi đó, các mô đun trong máy tính thường được xây dựng từ các chíp và mạch ngoài.
Vi điều khiển là thành phần quan trọng trong việc phát triển các hệ thống nhúng, thường được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử như máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD và các thiết bị đa phương tiện Chúng cũng đóng vai trò thiết yếu trong các dây chuyền tự động, góp phần nâng cao hiệu suất và tính năng của các sản phẩm công nghệ hiện đại.
Hầu hết các vi điều khiển hiện nay được thiết kế dựa trên kiến trúc Harvard, bao gồm bốn thành phần chính: lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), và các bộ định thời cùng cổng vào/ra để giao tiếp với thiết bị ngoại vi Tất cả các thành phần này được tích hợp trong một vi mạch, cho phép vi điều khiển hoạt động hiệu quả với ít vi mạch hỗ trợ bên ngoài, khác với các bộ vi xử lý đa năng.
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
Hình 2.1: Vi điều khiển PIC18F4550
Vi điều khiển PIC18F4450 đóng vai trò như CPU trong hệ thống, tiếp nhận tín hiệu đầu vào, xử lý và xuất lệnh điều khiển thiết bị đầu ra Với bộ nhớ 32KB Flash, vi điều khiển này cho phép lưu trữ chương trình, trong đó bao gồm việc lưu trữ trang web trong đồ án này.
Bảng 2.1: Tính năng của Vi Điều Khiển PIC18F4550
Serial Communication MSSP, Enhanced USART
Streaming Parallel Port (SPP) Yes
13-Bit Analog-to-Digital Module Yes
Resets (and Delays) POR, BOR,
Stack Underflow (PWRT, OST), MCLR (optional), WDT
Programmable Brown-out Reset Yes
83 with Extended Instruction Set enabled
Hình ảnh sơ đồ chân PIC
Hình 2.2: Sơ đồ chân PIC18F4550
Sơ đồ nguyên lý kết nối PIC18F4550
- Nút nhấn reset vi điều khiển
- Dao động thạch anh 20Mhz
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí PIC18F4550
Cấu hình của vi điều khiển pic 16F887
Đặc điểm thực thi tốc độ cao CPU RISC
Thời gian thực hiện tất cả các lệnh là 1 chu kì máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh là 2
- Ngõ vào xung clock có tần số 20 MHz
- Chu kì thực hiện lệnh 200 ns
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 hưởng 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 5.5V
Tầm nhiệt độ hoạt động theo chuẩn công nghiệp
Có mạch reset khi có điện (Power on reset – POR)
The article discusses two critical components in electronic systems: the Power-up Timer (PWRT), which ensures stable voltage when power is first applied, and the Oscillator Start-up Timer (OST), which stabilizes oscillation during initial power-up.
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 100.000 lần
Bộ nhớ Eeprom cho phép xóa và lập trình 1.000.000 lần và có thể tồn tại trên 46 năm
Cho phép đọc/ ghi bộ nhớ chương trình khi mạch hoạt động
Có tích hợp mạch gỡ rối
Có 35 chân I/O cho phép lựa chọn hướng 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 tương tự
Có 2 bộ so sánh điện áp tương 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 tương tự sang số : có 14 bộ chuyển đổi tương tự với độ phân giải 10 bit
Có timer0: 8 bit hoạt động định thời / đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình
- 16 bit hoạt động định thời / đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình
- Có ngõ vào cổng của timer1 để có thể điều khiển timer1 đếm từ tín hiệu bên ngoài
- Có bộ dao động công suất thấp tần số 32kHz
Có timer2: 8 bit hoạt động định thời với thanh ghi chu kỳ, có bộ chia trước và chia sau
Có mudule capture, compare và điều chế xung PWM+ nâng cao
- Có bộ capture 16 bit có thể đếm đƣợc xung với độ phân giả cao nhất 12ns
- Có bộ điều chế xung PWM với số kênh ngõ ra là 1, 2 hoăc 4 , có thể lập trình với tần số lớn nhất là 20kHz
- Có ngõ ra PWM điều khiển lái
Có thể lập trình trên bo ISP thông qua 2 chân
Có mudule truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ MSSP hỗ trợ chuẩn truyền 3 dây SPI
Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển pic 16F887
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển
Các khối bên trong vi điều khiển bao gồm:
Khối thanh ghi định cấu hình cho vi điều khiển
Khối bộ nhớ chương trình có nhiều dung lượng cho 5 loại khác nhau
Khối bộ nhớ ngăn xếp 8 cấp
Khối bọ nhớ Ram cùng với thanh ghi FSR để tính toán tạo địa chỉ cho 2 cách truy xuất gián tiếp và trực tiếp
Thanh ghi lệnh (Instruction register) dung để lưu mã lệnh nhận về từ bộ nhớ chương trình
Thanh ghi bộ đếm chương trình (PC) dùng để quản lý địa chỉ của bộ nhớ chương trình
Thanh ghi trang thái (status register) cho biết trạng thái sau khi tính toán của khối ALU
Khối ALU cùng với thanh ghi working hay thanh ghi A dùng để xử lý dữ liệu
Bài viết đề cập đến các bộ định thời trong hệ thống điện PUT, bao gồm bộ định thời chờ với dao động ổn định, mạch reset khi có điện, bộ định thời giám sát watchdog, và mạch reset khi phát hiện sụt giảm nguồn.
Khối giải mã lệnh và điều khiển (Instruction Decode mand Control)
Khối dao động (Internal Oscillator Block)
Khối dao động kết nối với 2 ngõ vào OSC1 và OSC2 để tạo dao động
Khối bộ dao động cho timer1 có tần số 35 kHz kết nối với 2 ngõ vào T1OSI và T1OSO
Khối mạch gỡ rối (In- Circuit Debugger IDC)
Khối timer0 nối với ngõ vào xung đếm từ bên ngoài là T0CKI
Khối truyền dữ liều đồng bộ/ bất đồng bộ nâng cao
Khối truyền dữ liệu đồng bộ MSSP cho SPI và I2C
Khối bộ nhớ Eeprom 256 byte và thanh ghi quản lý địa chỉ EEADDR và thanh ghi dữ liệu EEADATA
Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
Khối 2 bộ so sánh với nhiều ngõ vào ra và điện áp tham chiếu
Khảo sát sơ đồ chân vi điều khiển Pic 16f887
Vi điều khiển pic 16F887 có 40 chân, trong đó các chân đều tích hợp nhiều chức năng, chức năng từng chân đƣợc khảo sát theo Port
Hình 2.5: Sơ đồ chân của vi điều khiển
Chức năng của các chân chia theo từng nhóm
- Port A gồm các tín hiệu từ RA0 đến RA7
- Port B gồm các tín hiệu từ RB0 đến RB7
- Port C gồm các tín hiệu từ RC0 đến RC7
- Port D gồm các tín hiệu từ RD0 đến RD7
- Port E gồm các tín hiệu từ RE0 đến RE3
Chức năn ngõ vào bộ chuyển đổi ADC: có 14 kên (AN0-AN13)
Bộ so sánh C1 và C2: có 2 bộ so sánh
- Điện áp ngõ vào âm: C12IN0-, C12IN1- C12IN2-, C12IN3-
- Điện áp ngõ vào dương: C1IN+, C2IN+
- Điện áp tham chiếu CVREF.
1 kênh truyền dữ liệu SPI
1 ngõ vào nhận tín hiệu ngắt cứng
2.1.2 CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG PIR
Cảm biến PIR (cảm biến hồng ngoại thụ động) là thiết bị cảm biến sử dụng tia hồng ngoại làm nguồn kích thích Nó không phát ra nguồn nhiệt tự nhiên mà chỉ phản ứng với thân nhiệt của các vật thể xung quanh, như con người và động vật.
Hình 2.6: Cảm biến chuyển động Pir
Bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, một chân nối masse, một chân nối nguồn VDC, mức điện áp làm việc có thể từ 3 đến 15V
Bề mặt đầu dò dùng kính Fresnel cho góc dò lớn và ngăn tìa tử ngoại
2.1.3 MÀN HÌNH LCD 16X2, CẢM BIẾN LM35
Màn hình Text LCD là loại màn hình tinh thể lỏng được thiết kế để hiển thị các ký tự và số trong bảng mã ASCII Mỗi ô trên màn hình chỉ có thể hiển thị một ký tự ASCII, và kích thước của Text LCD được xác định bởi số ký tự trên mỗi dòng và tổng số dòng Chẳng hạn, màn hình LCD 16×2 có 2 dòng và mỗi dòng có thể hiển thị tối đa 16 ký tự Một số kích thước phổ biến của Text LCD bao gồm 16×1, 16×2 và 16×4.
Trong LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chip điều khiển HD44780, chỉ cung cấp các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự và đặt tên rõ ràng.
2.1.3.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35 [2]
Cảm biến LM35 là một loại cảm biến tương tự phổ biến, thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ thời gian thực Điểm nổi bật của cảm biến này là không cần phải cân chỉnh ngoài, vì nó đã được hiệu chỉnh sẵn Cảm biến hoạt động bằng cách cung cấp một giá trị điện áp cụ thể tại chân Vout (chân giữa) tương ứng với mỗi mức nhiệt độ.
Dải nhiệt độ đo đƣợc của LM35 là từ -55 O C- 150 O C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau:
- Nhiệt độ -55 O C điện áp đầu ra -550mV
- Nhiệt độ 25 O C điện áp đầu ra 250mV
- Nhiệt độ 150 O C điện áp đầu ra 1500mV
Để đo nhiệt độ phù hợp với LM35, cần xác định cách mắc của cảm biến này Hệ thống đo nhiệt độ có thể hoạt động trong khoảng từ 0 đến 150 độ C Quy trình đo nhiệt độ sử dụng LM35 thường diễn ra qua các bước: LM35 -> ADC -> Vi điều khiển, trong đó ADC được tích hợp sẵn trong IC PIC.
Hình 2.8: Cảm biến nhiệt độ LM35
- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V DC
- Công suất tiêu thụ: 60uA
- Độ phân giải điện áp của đầu ra: 10mV/ ℃
- Trở kháng đầu ra thấp
- Độ chớnh xỏc thực tế: ẳ ℃ ở nhiệt độ phũng và ắ ℃ ngoài khoảng - 55℃ đến 150℃
2.1.4 BỘ THU PHÁT SÓNG RF [3]
- Tấn số hoạt động: 315 Mhz
- Khoảng cách phát hiện: 30 – 50 m (Không vật cản)
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lí khối phát
- Kiểu điều chế: ASK (Amplitude Shift Keying) điều chế theo biên độ
- Tần số hoạt động: 315 Mhz
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý khối module thu RF
Chân VT (Valid transmission) là chân báo tín hiệu khi nhận dữ liệu, hoạt động ở trạng thái chờ với đầu ra 0 Khi có tín hiệu, chân VT sẽ chuyển lên mức 1 và trở về 0 khi không còn tín hiệu Trong trường hợp chưa có tín hiệu, các chân ngõ ra (D0, D1, D2, D3) giữ mức 0, và khi có tín hiệu, các chân này sẽ tăng lên mức 1.
2.1.5 TÌM HIỂU MẠNG ENTHERNET, GIAO THỨC TCP/IP,
Hơn 20 năm trước, Ethernet ra đời mang lại một mạngtruyền dữ liệu nối tiếp tốc độ cao; tới nay, nó đã trở thành một chuẩn đƣợc chấp nhận khắp thế giới, và là giao thức thống trị các mạng LAN Hơn 85% kết nối mạng đƣợc cài đặt trên thế giới là Ethernet Tốc độ truyền dữ liệu phổ biến nhất nay đang đƣợc nhanh chóng nâng cấp lên Fast Ethernet với tốc độ 100 Mbps Ethernet thường gắn với hệ điều khiển công nghiệp qua một điều khiển độc lập kết nối với PC hay mạng bằng cáp Ethernet.
Chuẩn Ethernet 10Mbps đầu tiên, được phát triển bởi DEC, Intel và Xerox, được công bố vào năm 1980 với tên gọi DIX Ethernet Uỷ ban 802.3 của IEEE đã lấy DIX Ethernet làm cơ sở để phát triển chuẩn mới Năm 1985, chuẩn IEEE 802.3 đầu tiên ra đời với tên gọi Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method versus Physical Layer Specification Dù không sử dụng tên Ethernet, nhưng hầu hết mọi người đều nhận ra đây là chuẩn công nghệ Ethernet Hiện nay, chuẩn IEEE 802.3 là chuẩn chính thức của Ethernet, với nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều loại mạng Ethernet, tất cả hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình.
7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame) Cấu trúc khung Ethernet nhƣ sau:
Mở đầu SFD Địa chỉ đích Địa chỉ nguồn Độ dài/ kiều gói
Hình 2.13: Cấu trúc khung MAC theo IEE 802.3/Ethernet
Các trường quan trọng trong phần mở đầu sẽ được mô tả dưới đây:
Khung bit xuất hiện với giá trị cố định là 10101010, từ đó phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10MHz.
- SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của một khung Nó luôn mang giá trị 10101011
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
2.2.1 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Hình 2.31: Sơ đồ khối điều khiển tự động thiết bị
: Dấu mũi tên một chiều chỉ sự cung cấp tín hiệu (nguồn, tín hiệu…)
Khối hình chữ nhật là một thành phần quan trọng trong sơ đồ, đóng vai trò như module, nguồn cung cấp hoặc thiết bị đầu cuối để thực hiện các chức năng cụ thể Nó được kết nối với các khối khác thông qua các mũi tên, tạo nên sự liên kết trong tổng thể hệ thống.
Chức năng và nhiệm vụ của từng khối:
Khối nguồn có vai trò quan trọng trong việc tạo ra dòng điện và điện áp ổn định cho toàn bộ mạch Để đạt được điều này, có thể sử dụng nguồn 9 ~ 12 VAC, sau đó đi qua diode cầu, điện trở hạn dòng và IC ổn áp 7805, từ đó cung cấp nguồn 5V cho mạch.
Hình 2.32: Sơ đồ khối nguồn
Mạch nguồn bao gồm các khối nguồn xoay chiều AC, sau đó được chỉnh lưu qua diode cầu Điện áp sau khi chỉnh lưu sẽ đi qua bộ lọc (các tụ lọc) và tiếp tục qua bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) trước khi đưa ra tải.
Khối thu kết quả ADC: cảm biến nhiệt độ LM35, vi điều khiển đọc kết quả nhiệt độ ADC, đƣa ra màn hình LCD để hiển thị
Khối phát hiện người: cảm biến chuyển động PIR, khi phát hiện có chuyển động của con người, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển
Khối vi điều khiển: là trung tâm của hệ thống, nhận và xuất tín hiệu điều khiển từ các thiết bị khác
Khối điều khiển: gồm có relay và các thiết bị điện dân dụng.Relay sử dụng transistor NPN (C1815)
Hình 2.33: Sơ đồ nguyên lý mạch Relay (NPN)
Từ sơ đồ nguyên lý ta có thể dùng Transistor NPN (C1815) để điều khiển dòng đi từ nguồn về mass
- Khi tín hiệu từ chân vi điều khiển ở bước cao (S1 = 1) thì Q1 thông, có dòng cấp cho cuộn hút của Relau, tiếp điểm 1 nối với 3
- Khi tín hiệu từ chân vi điều khiển ở bước thấp (S1 = 0) thì Q1 tắt, không có dòng qua cuộn hút, tiếp điểm 1 nối với 2
Diode mắc ở 2 đầu cuộn dây của Relay có tác dụng xả dòng cuộn hút khi nó không hoạt động
- Điện áp hoạt động 5 VDC, đóng ngắt điện áp 220 VAC 10 A
Có đèn báo mỗi Relay
Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý module Relay
Khi dòng điện chạy qua hai đầu của đèn LED trong Opto, đèn LED sẽ phát sáng Sự phát sáng này kích hoạt hai cực của photodiode, cho phép dòng điện lưu thông qua.
Khối hiển thị: màn hình LCD hiển thị nhiệt độ
2.2.2 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
Hệ thống này bao gồm 4 module hoạt động với nguồn 5VDC, trong đó PIC18F4550 là vi xử lý trung tâm, nhận và xử lý tín hiệu điều khiển, sau đó xuất ra các tín hiệu đến thiết bị ngõ ra Khi một lệnh điều khiển được thực hiện từ Website và mạch sóng cao tần, lệnh này sẽ được gửi đến vi điều khiển để điều chỉnh ngõ ra theo yêu cầu.
Hình 2.35: Sơ đồ khối hệ thống
: Dấu mũi tên một chiều chỉ sự cung cấp tín hiệu (nguồn, tín hiệu…)
: Dấu mũi tên hai chiều chỉ sự cung cấp tín hiệu (nguồn, tín hiệu…)
Khối hình chữ nhật này đóng vai trò là một module hoặc thiết bị đầu cuối, thực hiện chức năng cụ thể trong tổng thể sơ đồ Nó được kết nối với các khối khác thông qua các dấu mũi tên, thể hiện mối liên hệ và sự tương tác giữa các thành phần trong hệ thống.
Khối PIC18F4550: là khối trung tâm quan trọng nhất trong hệ thống điều khiển thiết bị qua sóng Wi-Fi
Khối nguồn cung cấp (5V): có chức năng cung cấp nguồn một chiều 3V3 và 5V cho khối ENC28J60 và PIC18F4550
Module ENC28J60: là cầu nối giữa PIC và Website điều khiển Có chức năng vận chuyển tín hiệu đầu cuối bằng sóng Wi-Fi
Khối ngõ ra relay: có chức năng kết nối với các thiết bị điện – điện tử nhƣ động cơ, đèn
2.2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
Hệ thống sử dụng 4 module chính là ENC28J60, PIC18F4550, RELAY, sóng cao tần
Tần số sóng cao tần 315M Nếu có tín hiệu từ bộ phát, bên thu sẽ nhận được và xuất ngõ ra tương ứng vào ngõ vào vi điều khiển
Vi điều khiển sử dụng giao thức SPI để giao tiếp và truyền nhận dữ liệu với IC Ethernet, từ đó nhận lệnh và xuất tín hiệu điều khiển đến relay, giúp quản lý các thiết bị điện hiệu quả.
SPI (Serial Peripheral Bus) là giao thức truyền thông nối tiếp tốc độ cao theo mô hình Master-Slave, trong đó PIC đóng vai trò Master để điều phối quá trình truyền thông, còn ENC28J60 là thiết bị Slave nhận lệnh từ Master.
PIC18 hoạt động như một máy tính, trong khi ENC28J60 đóng vai trò là card mạng, nhận dữ liệu từ mạng qua cổng RJ45 ENC28J60 được thiết kế để giải mã tín hiệu và lưu trữ dữ liệu vào bộ đệm Qua giao tiếp SPI, PIC18 liên tục kiểm tra bộ đệm của ENC28J60, và khi phát hiện có dữ liệu, nó sẽ đọc và xử lý dữ liệu đó Đồng thời, PIC18 cũng gửi dữ liệu vào bộ đệm của ENC28J60, cho phép ENC28J60 mã hóa và truyền dữ liệu ra qua cổng RJ45 đến địa chỉ mong muốn.
ENC28J60 được điều khiển hoàn toàn bởi một vi điều khiển khác, được gọi là Host Host sử dụng các lệnh để quản lý quá trình truyền nhận dữ liệu của ENC28J60.
Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lí
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
2.3.1 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN QUA SÓNG WIFI Để cho việc xem xét lưu đồ thuật toán được rõ ràng và giúp cho việc bộđiều khiển đặt trong mạng LAN (và coi nhƣ một phần tử trong mạng), trong mạng gồm 1 Modem mạng, 1 Sever và bao gồm nhiều mấy trạm (máy tính và điện thoại) có cài trình duyệt web
Bộ điều khiển hoạt động như một máy chủ Web, quản lý các ngõ ra của vi điều khiển Tất cả các thiết bị trong mạng có thể gửi yêu cầu Web đến địa chỉ của nó.
IP của bộ điều khiển được cung cấp dưới dạng một trang web, cho phép tất cả các thiết bị trong mạng, bất kể vị trí, đều có thể nhận thông tin và điều khiển thông qua trình duyệt web có sẵn.
Hình 2.37: Điều khiển từ xa qua sóng Wi-Fi
2.3.2 LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN QUA SÓNG WI-FI
Hình 2.38: Lưu đồ giải thuật điều khiển qua sóng Wi-Fi
Sau khi được nạp vào vi điều khiển, mã web sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ flash Khi chương trình chạy, PIC sẽ khởi động cấu hình bộ nhớ flash Nếu thiết bị như điện thoại hoặc máy tính kết nối vào cùng một mạng Ethernet và mở trình duyệt để nhập địa chỉ IP của web, người dùng sẽ truy cập được giao diện điều khiển thiết bị Nếu không có yêu cầu mới, PIC sẽ khởi động lại cấu hình cũ.
Khi một lệnh được thực thi từ giao diện web, một form sẽ được trả về dưới dạng chuỗi Tiếp theo, vi xử lý sẽ tiến hành xử lý chuỗi này.
2.3.3 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG CAO TẦN
Lưu đồ giải thuật cho mô hình điều khiển thiết bị bằng sóng cao tần bao gồm hai phần chính: mạch phát sóng và mạch thu sóng cao tần Tín hiệu điều khiển được kích hoạt từ nút nhấn trực tiếp lên mạch phát, cho phép mạch phát phát tín hiệu điều khiển Nếu mạch thu được thiết kế để hoạt động trong cùng dải tần số, nó sẽ nhận tín hiệu phát ra Sau đó, mạch thu truyền tín hiệu logic này vào bộ xử lý trung tâm để điều khiển thiết bị tương ứng.
Hình 2.39: Mô hình điều khiển bằng sóng cao tần
Chương trình con khởi tạo LCD, Timer0
Hình 2.40: Lưu đồ giải thuật chương trình con
Chương trình khởi tạo timer, khởi tạo LCD, qui định chân, qui định
Chương trình con ngắt timer1:
Hình 2.41: Lưu đồ ngắt Timer1
Chương trình này khởi tạo giá trị cho timer T1 là 3036, timer đếm đến
Khi đạt 62500 xung, hệ thống sẽ tràn, với tổng số xung đếm là 62500 Mỗi xung có thời gian hoạt động là 1,6 ms, do đó thời gian sống và thời gian tắt bằng nhau, được tính là 62500 x 1,6 = 100000 ms, tương đương 100 ms Chu kỳ hoạt động của timer T1 là 200 ms với giá trị 16 bit.
Khi giá trị TAM trong chương trinh PHAT_HIEN_NGUOI bằng 0 thì BDT bằng 0, cho phép timer T1 ngắt
Chương trình phát hiện người
Hình 2.42: Lưu đồ chương trình nhận biết có người
Chương trình kiểm tra tín hiệu ngõ vào B0 để điều khiển tín hiệu bước 1 và đồng thời đếm thời gian Nếu sau thời gian (t) mà không có tín hiệu vào B0, ngõ ra C4 sẽ trở về trạng thái bước 0 (0V).
Chương trình điều khiển nhiệt độ
Hình 2.43: Lưu đồ điều khiển nhiệt độ
Chương trình kiểm tra kết quả ADC và so sánh với một giá trị đặt trước Nếu điều kiện này được thỏa mãn, chương trình sẽ kiểm tra tín hiệu ngõ vào B0 để điều khiển tín hiệu ngõ ra C4, cụ thể là Relay máy lạnh, khi KQADC đạt yêu cầu.
X và B0 = 1) thì ngõ ra C4 lên 1(5V), nếu không thỏa thì C4 xuống 0 (0V)
Chương trình kiểm tra phím nhấn tăng
Hình 2.44: Lưu đồ kiểm tra phím tăng
Trong chương trình, lệnh while kiểm tra xem nút nhấn TANG có được nhấn hay không Nếu có, chương trình sẽ thực hiện delay và tăng giá trị để so sánh với kết quả ADC (DAT), sau đó kiểm tra xem phím đã được buông hay chưa.
Mạch mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm proteus Trong mạch có 5 ngõ vào và 3 ngõ ra điều khiển 3 relay và ngõ ra điều khiển LCD
- Chân A1: chân vào tín hiệu của cảm biến nhiệt LM35
- Chân A4: chân tín hiệu của RF
- Chân B0: chân tín hiệu của cảm biến chuyển động PIR
- Chân B1: chân tín hiệu của nút nhấn
- Chân B2: chân tín hiệu của nút nhấn
- Chân C3: điều khiển Relay của LM35
- Chân C4: điều khiển Relay của cảm biến chuyển động PIR
- Chân C7: điều khiển Relay RF
- Port D (D0 – D7) và port E(E – E2): điều khiển LCD
Hình 2.45: Sơ đồ nguyên lý
Giải thích sơ đồ nguyên lý:
Trong mạch gồm có 3 nút nhấn TANG (RB1), GIAM (RB2), RESET
Bài viết này mô tả hệ thống sử dụng 1 cảm biến chuyển động PIR (RB0), 1 cảm biến nhiệt độ LM35 (RA5), 1 chân tín hiệu của bộ thu RF (RB3), 1 màn hình LCD (Port D và Port E), 3 module Relay và các linh kiện điện tử như điện trở, LED, cùng với BJT (NPN) để kích dòng bước cao cho Relay đóng.
Nút nhấn TANG và GIAM được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ mở đèn và gửi tín hiệu cho Relay của vi điều khiển tại chân RC3 Cảm biến nhiệt độ LM35 có nhiệm vụ đo nhiệt độ phòng và hiển thị kết quả trên màn hình LCD Đồng thời, cảm biến chuyển động PIR phát hiện sự chuyển động và gửi tín hiệu để đóng Relay ở chân RC4.
Các bước để mô phỏng hệ thống hoạt động:
Bước 1: Viết chương trình bằng phần mềm CCS sau đó biên dịch để kiểm tra lỗi
Hình 2.46: Biên dịch chương trình trên phần mềm CCS
Bước 2: Để nạp chương trình đã kiểm tra và mô phỏng trên phần mềm Protues, trước tiên, nháy đúp chuột vào vi điều khiển 16F887 để mở bảng lựa chọn file Tiếp theo, nhấn vào biểu tượng để mở và chọn file đã lưu Sau khi chọn file, hãy nhấn vào biểu tượng “OK” để hoàn tất quá trình nạp, rồi nhấn biểu tượng để bắt đầu mô phỏng.
Hình 2.47: Nạp chương trình cho phần mềm mô phỏng
Bước 3: Sau khi chạy mô phỏng trên Protues ta nạp chương trình vào vi điều khiển 16F887 bằng PICKIT2
Hình 2.48: Kết quả mô phỏng
THI CÔNG HỆ THỐNG
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ
- Điện áp làm việc: 220VAC
Chọn MCB 1pha hãng GE bảo vệ ngắn mạch:
Chọn MCB cho bóng đèn: 1 pha C60HB 101, loại B dòng định mức 1A, điện áp 240-440 VAC của hãng Schneider
Chọn Contactor và relay nhiệt
Chọn Contactor HiMC18 của hãng HUYNDAI có thông số sau:
Chọn Relay nhiệt hãng GE có dải dòng 12A đến 16A.
Hình 3.4: Relay nhiệt hãng GE
Bảngchọn cáp điện lực PVC nhiệt độ 30 o C:
Bảng 3.1: Bảng chọn dây dẫn điện CADIVI
Dây đôi mềm, ruột đồng
Flexible Copper conductor – PVC insulated wire
Dây đơn cứng, ruột đồng hoặc nhôm
Solid Copper or Aluminium conductor – PVC insulated wire
Dây đôi mềm dẹt, mềm xoắn VCmd ,
Dây đôi mềm tròn, mềm ovan, mềm oval dẹt
Tiết diện Nom area of conductor Đường kính sợi
VA Ruột nhôm Aluminium conductor mm2 A A mm2 mm A A
Động cơ: dựa vào dòng điện tính toán là 12,5 A, chọn cáp điện lực hạ thế, cách điện PVC hãng CADIVI, tiết diện 1,0mm 2
Chọn dây dẫn điện bóng đèn: tra bảng chọn đôi mềm CADIVI bọc PVC
Hình 3.5: Cáp điện CADIVI bọc PVC 2×0.75 mm2
3.1.2.1 SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Hình 3.6: Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển
- Clock hoạt động tối đa 20Mhz
-Chu kì máy bằng 4 lần chu kì xung clock
- PIC có 40 chân, mỗi chân có một chức năng riêng
- Điện áp hoạt động từ 2 đến 5V
- Bộ nhớ flash ROM 8Kb
- Là bộ xử lí trung tâm quan trọng nhất, xuất nhập các tín hiệu
Hình 3.7: Vi điều khiển PIC16F887
-Làm IC ổn áp nguồn 5V cho cảm biến LM35 và khối ngõ vào
-Đọc đƣợc nhiệt độ từ -55 đến 150 o C
- Đồ thị dạng tuyến tính
- Dùng để giám sát nhiệt độ trong phòng
-Phạm vi phát hiện: góc 120 độ hình nón, độ xa tối đa 5 mét
- Điện áp hoạt động: DC 3,8V – 5V
- Mức tiêu thụ dòng: =5){OUTPUT_LOW(PIN_C4);OUTPUT_LOW(PIN_C3);} }
Chương trình con chống dội cho nút nhấn tăng giúp xử lý biến đếm DAT một cách hiệu quả Sau khi người dùng nhấn nút, hệ thống sẽ chờ một khoảng thời gian nhất định trước khi thực hiện tăng giá trị của biến đếm Đồng thời, chương trình cũng kiểm tra trạng thái buông phím để đảm bảo quá trình hoạt động chính xác.
- Chương trình con chống dội cho nút nhấn giảm: Tương tự như nút nhân tăng nhƣng lệnh thực hiện ngƣợc với nút tăng
Các lệnh SET_TRIS_X (value) được sử dụng để xác định hướng của các Port I/O, với mỗi bit tương ứng với một chân: mức 1 cho ngõ vào và mức 0 cho ngõ ra Lệnh SETUP_ADC (Value) cấu hình cho ADC, trong khi lệnh SETUP_ADC_PORTS(SAN0) thiết lập chân A0 cho ADC Để chỉ định kênh cần chuyển đổi, sử dụng lệnh SET_ADC_CHANNEL(0) Lệnh ENABLE_INTERRUPTS(INT_TIMER1) cho phép ngắt từ timer T1 Trong hàm void main, sau khi định nghĩa các Port và chân, khai báo biến tạm, và cấu hình ADC, vòng lặp “While(true)” sẽ gọi các hàm con để xử lý các lệnh đã được viết.
SETUP_ADC(ADC_CLOCK_INTERNAL);
SETUP_TIMER_0(T0_EXT_L_TO_H|T0_DIV_1);
SETUP_TIMER_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8);
LCD_COMMAND(ADDR_LINE1); DELAY_US(10);
LCD_COMMAND(ADDR_LINE2); DELAY_US(10);
{OUTPUT_TOGGLE(PIN_C7);SET_TIMER0(0);}
Chương trình điều khiển thiết bị qua Wi-Fi: cmd=find_string(“LED1=”,&EthFrame[data_point],Len); if(cmd!=Len)
{ if(EthFrame[data_point+cmd+5]=='1')
} if(EthFrame[data_point+cmd+5]=='0')
VẬN HÀNH HỆ THỐNG
MÔ HÌNH SAU KHI ĐÃ THI CÔNG
Hình 4.1: Mô hình mạch điều khiển hệ thống sau khi thi công
VẬN HÀNH
Sau khi thi công xong hệ thống thực hiện các bước vận hành sau :
Bước 1: Cắm adapter nguồn điều khiển cấp nguồn cho mạch điều khiển và kết nối với Modem Wi-Fi
Hình 4.3: Mạch điều khiển hoạt động
Bước 2: Mở trình duyệt nhập địa chỉ IP được được cài đặt để vào trang
Hình 4.4: Giao diện Website điều khiển động cơ
Bước 3:Cấp điện cho mạch động lực điều khiển động cơ
Hình 4.5: Mạch điều khiển và động lực được cấp điện
Bước 4: Nhấn nút ON trên giao diện điều khiển để gửi tín hiệu điều khiển tới vi điều khiển qua sóng Wi-Fi Khi rơ-le đóng tiếp điểm, điện sẽ được cấp cho cuộn dây Contactor, làm cho tiếp điểm Contactor đóng lại và động cơ bắt đầu hoạt động.
Hình 4.7: Động cơ hoạt động
Bước 5: Nhấn nút OFF trên giao diện điều khiển để gửi tín hiệu điều khiển tới vi điều khiển qua sóng Wi-Fi Hành động này làm cho rơ-le mở tiếp điểm và cuộn dây của Contactor mất điện, dẫn đến việc tiếp điểm Contactor mở ra và động cơ dừng hoạt động.
Hình 4.8: Cuộn dây Contactor mở ra
Bước 6: Nhấn nút “D” trên remote điều khiển, đèn bên phải sáng, nhấn lần nữa đèn tắt
Hình 4.9: Đèn bên phải sáng
Bước 7: Cảm biến tác động khi có người người đi chuyển vào, 2 đèn bên trái sáng, khi không có người, 2 đèn tắt
Hình 4.10: Đèn bên trái sáng
