(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông minh

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý, công nghiệp và cung cấp thông tin Điều này tạo ra cơ hội lớn cho sinh viên chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện trong việc ứng dụng kiến thức vào thực tiễn.

Để phát triển hiệu quả trong lĩnh vực Tử - Truyền Thông, chúng ta cần nắm bắt xu hướng và áp dụng kiến thức đã học, góp phần vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật toàn cầu, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và truyền thông Điều này cũng sẽ thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế quốc gia.

Trong thời đại hiện nay, hầu hết các thiết bị tự động trong nhà máy và gia đình hoạt động độc lập, thiếu sự liên kết về dữ liệu Để giải quyết vấn đề này, các thiết kế ngôi nhà thông minh đã ra đời, tích hợp nhiều thiết bị điện tử, truyền thông thành một hệ thống thống nhất Ngôi nhà thông minh cho phép tự động hóa các chức năng như chiếu sáng, điều hòa, an ninh và âm thanh, hoạt động theo chương trình đã cài đặt hoặc điều khiển từ xa qua điện thoại di động Người dùng có thể dễ dàng quản lý hệ thống từ xa, kiểm tra video cửa ra vào, tắt đèn khi quên, và tiết kiệm điện năng bằng cách điều chỉnh các thiết bị không cần thiết.

Hệ thống ngôi nhà thông minh hiện tại không thể điều khiển các thiết bị sử dụng sóng hồng ngoại như tivi, máy lạnh và quạt, do các thiết bị này có các chuẩn hồng ngoại khác nhau từ các nhà sản xuất như Sony, Samsung, Sharp và LG Mặc dù điều này giúp tránh xung đột với các thiết bị điều khiển hồng ngoại khác, nhưng nó cũng tạo ra khó khăn trong việc tích hợp và sử dụng đồng bộ các thiết bị này.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN điều khiển, vì mỗi khi muốn điều khiển thiết bị phải sử dụng điều khiển từ xa của đúng thiết bị đó, điều đó gây bất tiện khi trong nhà có nhiều thiết bị.

Nhằm khắc phục những bất cập hiện tại và đáp ứng xu hướng công nghệ, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông minh” Hệ thống này sẽ giúp người dùng điều khiển các thiết bị hồng ngoại một cách thuận tiện hơn, đồng thời tích hợp camera IP để giám sát từ xa hiệu quả.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông minh" nhằm áp dụng kiến thức học được và đáp ứng nhu cầu điều khiển thiết bị hồng ngoại một cách tiện lợi hơn Hệ thống sử dụng module WiFi ESP 8266-12 và vi điều khiển Arm STM32F103C8T6, được lập trình để nhận và phát tín hiệu hồng ngoại, cũng như lưu trữ dữ liệu Thiết bị có thể được điều khiển thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android, giúp đơn giản hóa việc sử dụng mà không cần cầm nhiều điều khiển từ xa.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung 1: Giao tiếp module ESP-12 8266 với vi điều khiển Arm.

Nội dung 2: Giải mã hồng ngoại nhận từ điều khiển từ xa hồng ngoại.

Nội dung 3: Xuất tín hiệu hồng ngoại điều khiển một thiết bị.

Nội dung 4: Thiết kế và lập trình ứng dụng trên Android.

Nội dung 5: Thiết kế và thi công mạch thu phát hồng ngoại.

Nội dung 6: Thiết kế mô hình sản phẩm.

Nội dung 7: Đánh giá kết quả thực hiện.

GIỚI HẠN

Sản phẩm dùng trong nhà, chỉ có thể học được các lệnh từ điều khiển từ xa hồng ngoại và khoảng cách điều khiển thiết bị có giới hạn.

BỐ CỤC ĐỒ ÁN

- Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2

- Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống.

- Chương 4: Thi Công Hệ Thống.

- Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá.

- Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.

Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI

WiFi, viết tắt của Wireless Fidelity hay mạng 802.11, là một hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio Hệ thống này đã được triển khai tại nhiều địa điểm như sân bay, quán cafe, thư viện và khách sạn, cho phép người dùng truy cập Internet mà không cần cáp nối Ngoài các điểm kết nối công cộng (hotspots), WiFi còn có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.

Tên gọi 802.11 được đặt theo Viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), nơi phát triển nhiều chuẩn giao thức kỹ thuật Viện sử dụng hệ thống số để phân loại các chuẩn này, trong đó ba chuẩn WiFi phổ biến hiện nay là 802.11a, 802.11b và 802.11g.

Sóng WiFi là loại sóng vô tuyến tương tự như sóng sử dụng cho điện thoại di động và các thiết bị cầm tay khác Nó có khả năng truyền và nhận sóng vô tuyến, đồng thời chuyển đổi mã nhị phân 1 và 0 thành sóng vô tuyến và ngược lại.

Sóng WiFi khác biệt so với sóng vô tuyến khác ở chỗ chúng hoạt động ở tần số 2.5 GHz hoặc 5 GHz, cao hơn so với tần số dùng cho điện thoại di động, thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao này cho phép tín hiệu truyền tải nhiều dữ liệu hơn.

Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên của công nghệ Wi-Fi, nổi bật với tốc độ chậm nhất và chi phí thấp nhất Mặc dù đã từng phổ biến, nhưng hiện nay nó ngày càng ít được sử dụng so với các chuẩn mới hơn Chuẩn này hoạt động ở tần số 2.4 GHz và có khả năng truyền tải dữ liệu lên tới 11 megabit/giây, sử dụng mã CCK để xử lý tín hiệu.

Chuẩn 802.11g hoạt động ở tần số 2.4 GHz và có tốc độ xử lý lên đến 54 megabit/giây, nhanh hơn so với chuẩn 802.11b Lý do cho tốc độ cao hơn của 802.11g là nhờ vào việc sử dụng công nghệ mã hóa OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Chuẩn 802.11a hoạt động ở tần số 5 GHz và đạt tốc độ tối đa 54 megabit/giây, sử dụng công nghệ mã hóa OFDM Mặc dù các chuẩn mới hơn như 802.11n cung cấp tốc độ nhanh hơn, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng trong lĩnh vực này.

WiFi hoạt động trên ba tần số khác nhau và có khả năng chuyển đổi nhanh chóng giữa các tần số này Sự chuyển đổi này giúp giảm thiểu nhiễu sóng, đồng thời cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây đồng thời.

Các máy tính trong vùng phủ sóng WiFi cần có adapter không dây để kết nối mạng Adapter này có thể tích hợp sẵn trong các máy tính xách tay và để bàn hiện đại, hoặc được thiết kế dưới dạng cắm vào khe PC card, cổng USB, hoặc khe PCI.

Sau khi cài đặt adapter không dây và phần mềm điều khiển, máy tính sẽ tự động nhận diện và hiển thị các mạng không dây có sẵn trong khu vực Nguồn phát sóng WiFi chính là máy tính.

- Một cổng để nối cáp hoặc modem ADSL.

- Một router (bộ định tuyến).

- Một access point không dây.

Hầu hết các router có độ phủ sóng trong khoảng bán kính 30,5 m về mọi hướng.

Để mở rộng diện tích phủ sóng của router, có thể sử dụng các thiết bị gia tăng hoặc lặp lại độ phủ sóng Nhiều router hiện nay hỗ trợ nhiều chuẩn 802.11 khác nhau Hầu hết các router đều cung cấp giao diện web cho phép người dùng thay đổi cấu hình, bao gồm tên hệ thống mạng, kênh sử dụng (thường là kênh 6 nhưng có thể chuyển đổi để tránh nhiễu từ các nguồn phát sóng lân cận) và các chế độ bảo mật như tên truy cập và mật khẩu cho mạng.

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.2.1 Tổng quan về ARM a Giới thiệu về vi xử lý ARM

Cấu trúc ARM (Acorn RISC Machine) là một kiến trúc xử lý 32 bit kiểu RISC, thuộc hệ thống Harvard với tập lệnh rút gọn, được sử dụng phổ biến trong thiết kế nhúng Đặc điểm nổi bật của CPU ARM là khả năng tiết kiệm năng lượng, giúp chúng trở thành lựa chọn hàng đầu cho các sản phẩm điện tử di động, nơi tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ngày nay ARM được ứng dụng và rộng rãi trên mọi lĩnh vực của đời sống: Robot, máy tính, điện thoại, xe hơi, máy giặt…

Hình 2.1 Các ứng dụng của vi điều khiển ARM b Giới thiệu về ARM Cortex M3

ARM Cortex M3 được tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất hệ thống đồng thời tiết kiệm năng lượng Với kiến trúc mới, ARM Cortex M3 có chi phí sản xuất thấp, giúp cạnh tranh hiệu quả với các vi điều khiển 8 và 16 bit truyền thống.

- ARM Cortex M3 được xây dựng dựa trên kiến trúc ARMv7-M 32 bit.

- Kiến trúc Harvard tách biệt Bus dữ liệu và lệnh.

- Đơn vị bảo vệ bộ nhớ (MPU - Memory Protection Unit): hỗ trợ bảo vệ bộ nhớ thông qua việc phân quyền thực thi và truy xuất.

- Bộ vi xử lý Cortex-M3 hỗ trợ kiến trúc tập lệnh Thumb-2.

- Hỗ trợ kỹ thuật Bit Band giúp cho phép truy xuất dữ liệu theo bit đồng thời giảm thời gian truy xuất.

- Cho phép truy cập dữ liệu không xếp hàng (unaligned data accesses) đặc điểm này cho phép sử dụng hiệu quả SRAM nội.

- SysTick timer 24 bit hỗ trợ cho việc chạy hệ điều hành thời gian thực.

- Hỗ trợ lập trình và gỡ rối qua cổng JTAG truyền thống cũng như chuẩn 2 dây nhỏ gọn SWD (Serial Wire Debug).

- Khối quản lý vector ngắt lồng nhau (NVIC – Nested Vectored Interrupt Controller) cho phép rút ngắn thời gian đáp ứng yêu cầu ngắt.

Hình 2.2 Sơ đồ khối ARM Cortex M3 c ARM STM32F1X

 Giới thiệu dòng ARM STM32F1:

Dòng ARM STM32F1 được chia ra làm 5 nhóm nhỏ, mỗi nhóm sẽ có số dung lượng bộ nhớ Flash, SRAM và số lượng ngoại vi khác nhau.

- Low density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx, STM32F102xx và

STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 16 đến 32 Kbytes.

- Medium density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx, STM32F102xx và

STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 64 đến 128 Kbytes.

- High density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx và STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 256 đến 512 Kbytes.

- XL density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx và STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 768 đến 1 Mbytes.

- Connectivity line: Gồm các vi điều khiển STM32F105xx và STM32F107xx.

 Kiến trúc của ARM STM32F1:

- Icode bus: Kết nối lõi Cortex-M3 với bộ nhớ Flash để truyền mã lệnh.

- Dcode bus: Kết nối lõi Cortex-M3 với bộ nhớ Flash để truyền dữ liệu.

- System bus: Kết nối lõi Cortex-M3 với BusMatrix và BusMatrix sẽ phân quyền sử dụng bus giữa lõi ARM và khối DMA.

- DMA bus: Kết nối DMA với BusMatrix Và BusMatrix sẽ quản lý việc truy xuất dữ liệu của CPU, DMA tới SRAM, Flash và các ngoại vi.

BusMatrix là hệ thống phân quyền truy cập bus giữa lõi ARM và khối DMA, sử dụng thuật toán Robin để đảm bảo các khối sẽ thay phiên nhau truy cập bus trong một khoảng thời gian nhất định.

Cầu AHB/APB bao gồm hai cầu giúp đồng bộ kết nối giữa AHB và hai bus APB, với APB1 có tốc độ tối đa 36 MHz và APB2 đạt 72 MHz Sau khi CPU bị reset, tất cả nguồn xung clock cho ngoại vi sẽ bị tắt, ngoại trừ clock cho SRAM và FLITF Do đó, trước khi sử dụng các ngoại vi, cần cấu hình cấp xung clock cho chúng thông qua ba thanh ghi RCC_AHBENR, RCC_APB1ENR và RCC_APB2ENR.

Hình 2.3 Kiến trúc ARM STM32F103

Vùng nhớ flash được chia thành ba phần: đầu tiên là User Flash bắt đầu từ địa chỉ 0x00000000, tiếp theo là System Memory với kích thước 4Kbytes, thường được nhà sản xuất cài đặt bootloader Cuối cùng, vùng nhớ nhỏ bắt đầu từ địa chỉ 0x1FFFFF80 chứa thông tin cấu hình cho STM32 Bootloader thường được sử dụng để tải chương trình qua USART1 và được lưu trữ trong vùng User Flash.

Hình 2.4 Vùng nhớ Flash trên STM32

 Các chế độ tiết kiệm năng lượng:

Sau khi khởi động lại, vi điều khiển mặc định hoạt động ở chế độ Run Hãng ST cũng đã phát triển các chế độ tiết kiệm năng lượng để giảm tiêu thụ của CPU khi không cần hoạt động, chẳng hạn như khi đang chờ sự kiện từ bên ngoài Những chế độ này có thể được lập trình thông qua phần mềm.

Dòng ARM STM32F1 có 3 chế độ tiết kiệm năng lượng sau:

Chế độ Sleep tắt nguồn xung clock của CPU, nhưng vẫn giữ cho tất cả các ngoại vi, bao gồm cả các ngoại vi của lõi Cortex-M3 như NVIC và SysTick, hoạt động bình thường.

- Chế độ Stop: Tắt hết tất cả nguồn xung clock.

- Chế độ Standby: Tắt nguồn 1.8V, làm chậm lại SYSCLK, chặn nguồn xung clock cấp cho các ngoại vi thuộc APB và AHB khi không dùng đến.

The STM32F103C8T6 microcontroller is a 32-bit device from STMicroelectronics, featuring 64-128 Kb of Flash memory, USB 2.0 full-speed support, CAN interface, seven timers, two ADCs, and nine connectivity interfaces.

Hình 2.5 Sơ đồ chân của STM32F103C8T6

Một vài thông số chung:

- Tần số hoạt động lên tới 72 Mhz

- Bộ nhớ: 64-128 Kb Flash, 20 Kb SRAM

- ADC: 2×12 bit, tần số lấy mẫu 1Mhz

- DMA: Điều khiển 7 kênh DMA

- Giao diện kết nối: 2xI2C, 3xUSART, 2xSPI, CAN, USB 2.0 full-speed.

- Kiểu chân: VFQFPN36, UFQFPN48, BGA100, LQFP48, LQFP64, LQFP100.

- Điện áp cung cấp cho vi điều khiển: 2 – 3.6V

- Dòng tiêu thụ của vi điều khiển thể hiện ở Bảng 2.1 :

Bảng 2.1 Dòng tiêu thụ tối đa của STM32F103C8T6 d Một số ngoại vi chính sử dụng trong đề tài

 Interrupts and events (Ngắt và sự kiện):

Bộ điều khiển vector ngắt lồng nhau (NVIC) cho phép vi điều khiển tạm dừng chương trình hiện tại để xử lý các yêu cầu ngắt quan trọng hơn Sau khi hoàn tất việc xử lý ngắt, CPU sẽ trở lại và tiếp tục thực hiện chương trình trước đó.

NVIC, hay Bộ điều khiển ngắt nâng cao, là thành phần quan trọng trong lõi Cortex, có chức năng quản lý và điều phối các nguồn ngắt Với nhiều nguồn có khả năng yêu cầu ngắt CPU, NVIC đóng vai trò như một "người quản lý" chung, giúp sắp xếp và điều khiển các hoạt động ngắt một cách hiệu quả, tránh tình trạng chồng chéo và xung đột giữa các yêu cầu.

NVIC (Bộ điều khiển ngắt vector) được thiết kế để quản lý các nguồn ngắt lồng nhau trên vi điều khiển STM32 Nó hỗ trợ 16 cấp độ ưu tiên ngắt và 68 kênh ngắt có thể che được, cùng với 16 đường ngắt của lõi Cortex M3, cho phép linh hoạt trong việc xử lý và ưu tiên các ngắt.

- Cơ chế ưu tiên ngắt:

Khi nhiều nguồn ngắt xảy ra đồng thời, CPU sẽ xử lý các yêu cầu theo thứ tự ưu tiên từ cao nhất đến thấp nhất Ngoại trừ một số ngắt phần cứng không thể bị che, thứ tự ưu tiên cho các nguồn ngắt còn lại có thể được lập trình viên xác định.

Có 16 cấp độ ưu tiên ngắt (được điều khiển bằng 4 bit) và 4 bit này có thể được phân chia theo 5 tỉ lệ giữa nhóm ưu tiên chính (PreemptionPriority) và nhóm ưu tiên phụ (SubPriority) theo Bảng 2.2

Bảng 2.2 Bảng phân chia số cấp ưu tiên giữa 2 nhóm

- Các bước để cấu hình sử dụng ngắt:

Hình 2.6 Các bước để sử dụng ngắt

- Ngắt ngoài (EXTERNAL INTERRUPT – EXTI):

Có 19 kênh [EXT0 – EXT18] phục vụ cho ngắt ngoài Trong đó các kênh từ 0 đến

15 phục vụ yêu cầu ngắt ngoài tương ứng với các chân từ 0 đến 15 của các Port, kênh

16nối với PVD (Programmable Voltage Detector), kênh 17 nối RTC Alarm và kênh 18 là USB Wakeup.

Mỗi kênh có khả năng cấu hình riêng biệt để phát hiện xung hoặc cạnh, bao gồm cạnh lên, cạnh xuống, hoặc cả hai, đồng thời cho phép hoặc cấm ngắt.

Họ STM32 có 3 loại timer chính là:

- Các timer điều khiển nâng cao (Advanced control timers – TIM1&TIM8)

- Các timer cơ bản (Basic timers – TIM6&TIM7)

- Các timer sử dụng cho mục đích thông thường (General purpose timer – timer còn lại).

Các timer điều khiển nâng cao có khả năng tự động nạp lại và hỗ trợ nhiều kiểu đếm: đếm lên, đếm xuống, đếm lên xuống.

Bộ chia trước 16 bit cho phép chia tần số nguồn xung clock ngõ vào từ 1 đến

Bộ điều khiển này có khả năng hoạt động lên đến 65535 lần và được trang bị 4 kênh độc lập, bao gồm ngõ vào Capture (Input Capture), ngõ ra Compare (Output Compare), ngõ ra PWM (Output PWM), và ngõ ra chế độ 1 xung (One-pulse mode output).

Có thể tạo ra ngắt hoặc yêu cầu DMA khi 1 trong các sự kiện sau xảy ra:

- Cập nhật: Bộ đếm tràn, cài đặt bộ đếm.

- Sự kiện kích hoạt: bắt đầu đếm, dừng đếm, cài đặt hoặc đếm bằng nguồn kích hoạt bên trong, bên ngoài.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, cần thực hiện tính toán và thiết kế phù hợp với các thông số linh kiện đã được đề cập ở chương 2, đồng thời tạo nền tảng cho các bước hoàn thiện hệ thống sau này.

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Các khối sử dụng trong mạch:

Khối nguồn: Sử dụng nguồn 5V để cấp cho khối thu phát hồng ngoại, nguồn 3.3V để cấp cho các khối xử lỹ, lưu trữ dữ liệu và khối WiFi.

Khối xử lý sử dụng vi điều khiển STM32F103 để quản lý và truyền nhận dữ liệu từ các khối WiFi, khối thu phát hồng ngoại và khối lưu trữ dữ liệu.

Khối thu phát hồng ngoại có nhiệm vụ nhận tín hiệu hồng ngoại từ bên ngoài hoặc phát tín hiệu hồng ngoại để điều khiển các thiết bị theo yêu cầu từ khối điều khiển.

Khối WiFi có vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với khối điều khiển, cho phép thu thập dữ liệu từ khối điều khiển và chuyển đến khối xử lý Đồng thời, khối WiFi cũng nhận dữ liệu từ khối xử lý để gửi trở lại khối điều khiển, đảm bảo các chức năng hoạt động hiệu quả.

Khối lưu trữ dữ liệu sử dụng thẻ nhớ micro SD để lưu trữ thông tin nhận từ khối thu phát hồng ngoại Thẻ nhớ này cũng có khả năng xuất dữ liệu theo yêu cầu từ khối xử lý.

Khối điều khiển là một thiết bị điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị khác thông qua việc gửi dữ liệu đến khối WiFi.

3.2.2 Tính toán và thiết kế a Thiết kế khối thu phát hồng ngoại

 Tính toán giá trị cho trở sử dụng cho phát hồng ngoại:

Để cung cấp dòng cho mỗi LED phát hồng ngoại là 50mA, không thể cấp trực tiếp từ vi điều khiển, mà cần sử dụng transistor MMBT8050 để kích hoạt.

Công thức tính trở cho mỗi led hồng ngoại: Với điện áp trên led là 1.3V và điện áp vào 5V: Để transistor hoạt động ở chế độ dẫn bão hòa: ≥

Với điện áp ra ở chân vi điều khiển = 3V và transistor có =0.7, do giá trị β của MMBT8050 từ 40 đến 400 nên ta có thể chọn giá trị nhỏ nhất để tính:

Chúng ta sẽ chọn giá trị trở hạn dòng cho LED là 10 Ω và trở là 220 Ω Để các thiết bị nhận biết được tín hiệu hồng ngoại, cần bổ sung tần số 38KHz.

- Bộ chia trước chọn là 2.

- Giá trị tự động nạp lại là 936.

- Với chu kỳ là 936 thì duty của ta sẽ bằng 50% tức là 468.

Nên theo trên ta sẽ có: Tần số  Sơ đồ nguyên lý khối thu phát hồng ngoại:

Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế khối thu phát hồng ngoại b Thiết kế khối WiFi

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối khối WiFi

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Để module ESP8266-12E hoạt động hiệu quả, cần chú ý đến các chân kết nối quan trọng như GND, Vcc, GPIO2, GPIO15, CH_PD, RXD và TXD.

- Chân Vcc nối với nguồn 3.3V.

- Chân GND nối với GND.

- CH_PD nối với nguồn.

- Chân TX của ESP sẽ được nối với chân RX của vi điều khiển.

- Chân RX của ESP sẽ được nối với chân TX của vi điều khiển. c Thiết kế khối lưu trữ dữ liệu

Để giao tiếp với thẻ micro SD, chúng ta sử dụng chuẩn truyền SPI, tập trung vào 4 chân chính là MMC_CS, MOSI, MISO và SCK, được kết nối với các chân I/O trên vi điều khiển.

- Chân MMC_CS: được kết nối với PB12 của vi điều khiển.

- Chân MOSI: kết nối với chân PB15 của vi điều khiển.

- Chân MISO: kết nối với chân PB14 của vi điều khiển.

- Chân SCK: kết nối với chân PB13 của vi điều khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP d Thiết kế khối xử lý

ARM yêu cầu nguồn cấp từ 2 đến 3.6V, vì vậy chúng ta sẽ sử dụng nguồn 3.3V Bên trong, một bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để cung cấp nguồn 1.8V cho lõi điều khiển, SRAM và các thiết bị ngoại vi số.

Để sử dụng bộ nhớ Flash chính của vi điều khiển, chân BOOT0 cần được đặt ở mức 0, điều này cho phép nạp và chạy chương trình Thiết kế khối nguồn cũng rất quan trọng trong quá trình này.

Hình 3.5 Sơ đồ thiết kế khối xử lý

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.6 Sơ đồ thiết kế khối nguồn

Mạch sử dụng 2 nguồn chính là 3.3V và 5V để cung cấp cho khối trong mạch hoạt động.

Nguồn 5V cấp cho khối thu phát hồng ngoại gồm 1 led thu hồng ngoại TL1838 và

7 led phát hồng ngoại Dòng trên MMBT8050 là 600mA Dòng cấp cho led thu khoảng 1mA, nên tổng dòng trên nguồn 5V cần khoảng 600mA.

Nguồn 3.3V cấp cho các khối như xử lý, lưu trữ dữ liệu và WIFI Khối WIFI khi hoạt động có thể sử dụng dòng lên đến hơn 500mA nên ta có thể sử dụng IC ổn áp AMS1117 3.3V cấp riêng cho khối WIFI Ngoài ra, ta cần thêm một IC nguồn 3.3V để

Bộ môn điện tử công nghiệp 48 cấp nguồn cho vi điều khiển sử dụng 8 chân để điều khiển các thiết bị ngoại vi Mỗi chân có dòng ra tối đa là 25mA, do đó tổng dòng ra tối đa của toàn bộ vi điều khiển là 200mA (I = 25mA x 8 chân).

Vậy nguồn cấp cho mạch hoạt động cần I = 200 + 500 + 600 = 1300 mA Nên ta cần chọn nguồn có dòng ra 2A để mạch hoạt động ổn định. f Thiết kế khối điều khiển

Khối điều khiển sử dụng điện thoại thông minh qua ứng dụng được phát triển bằng ngôn ngữ Java, hỗ trợ bởi phần mềm Android Studio Ứng dụng có giao diện cơ bản với màn hình cho phép người dùng nhập tên và mật khẩu WiFi, màn hình chọn thiết bị cần điều khiển, cùng với các màn hình giao diện điều khiển khác.

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch

THI CÔNG HỆ THỐNG

Bảng liệt kệ linh kiện sử dụng:

Bảng 4.1 Liệt kê linh kiện

Sơ đồ bố trí linh kiện lớp trên và lớp dưới của mạch được thể hiện ở Hình 4.1 và

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện nhìn từ trên xuống

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện nhìn nghiêng

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

Lưu đồ chính của hệ thống:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 52 s

Hình 4.3 Lưu đồ chương trình trên vi điều khiển

Khi bắt đầu chương trình, cấu hình các ngoại vi trong hệ thống như ESP8266, xung clock cho ARM, PWM, chế độ ngắt và giao tiếp với thẻ nhớ sẽ được thực hiện Tiếp theo, kiểm tra số lượng file đã lưu trong thẻ nhớ; nếu không có, khởi tạo lại giá trị là 0, ngược lại, lưu vào biến khác để sử dụng Cuối cùng, kiểm tra dữ liệu trả về từ ESP8266; nếu không có dữ liệu, quay lại kiểm tra, nếu có, xác định loại dữ liệu trả về.

- Nếu kí tự trả về là ‘c’ thì ta sẽ tiến hành đăng nhập vào WIFI theo các dữ liệu trả về cùng với kí tự ‘c’.

- Nếu kí tự trả về là ‘z’ thì ta sẽ tiến hành gửi ip mà sau khi esp8266 đăng nhập vào WIFI.

Nếu ký tự trả về là 'i', chúng ta sẽ lấy dữ liệu hồng ngoại đã lưu trong thẻ nhớ và xuất ra đèn LED Lưu ý rằng khi xuất ra đèn LED, cần phải thêm vào tần số.

38KHz để thiết bị có thể nhận biết được.

- Nếu kí tự trả về ‘d’ thì sẽ xóa dữ liệu có tên tương ứng với giá trị nhận được từ WIFI trong thẻ nhớ.

Nếu ký tự trả về là 'a', chúng ta sẽ gửi vị trí hồng ngoại cũ đã thu thập, sau đó tăng vị trí nhớ để lưu trữ thông tin cho khối điều khiển.

4.2.2 Phần mềm Keil C sử dụng cho vi điều khiển a Giới thiệu phần mềm lập trình

Keil ARM là là công cụ phần mềm chuyên nghiệp được phát triển bởi công ty

ARM là nền tảng phổ biến cho việc soạn thảo và biên dịch chương trình trên các vi điều khiển Phần mềm này được cộng đồng lập trình viên toàn cầu sử dụng rộng rãi và thường xuyên được cập nhật Dưới đây là hướng dẫn cài đặt.

Chọn vào đường dẫn http://mcu.banlinhkien.vn/threads/download -keilc-5.2097/ , sau khi đã tải được phần mềm ta tiến hành thực hiện các bước sau:

Bước 1: Nhấp vào file mdk511.exe và chọn open Sẽ hiện lên hộp thoại sau rồi chọn Next.

Bước 2: Chọn vào textbox “I agree to all the tems of the preceding License Agreement” rồi nhấn Next.

Bước 3: Chọn đường dẫn lưu thư mục cài đặt, sau đó chọn Next.

Bước 4: Điền đầy đủ các thông tin vào và chọn Next.

Bước 5: Chờ đợi cài đặt.

Hình 4.5 Tiến trình cài đặt

Bước 6: Khi cài đặt hoàn tất nhấn Finish Tiếp đó thì hộp thoại Pack Installer hiện lên. Nhấn OK.

Bước 7: Cài dặt các dòng chip mà mình sẽ sử dụng.

Hình 4.6 Cài đặt các dòng chip

Bước 1: Mở phần mềm Keil C lên vào Project rồi chọn New Project.

Để quản lý các project hiệu quả, bước đầu tiên là chọn đường dẫn và đặt tên cho project, tốt nhất nên tạo một folder riêng cho từng project Sau khi nhấn Save, hộp thoại Select Device sẽ xuất hiện, tại đây chọn tên STM32 phù hợp, ví dụ STM32F103RCT6, và nhấn OK hai lần để hoàn tất.

Hình 4.7 Chọn dòng Arm sử dụng

Nhấn vào biểu tượng trong Hình 4.8 để tạo các thư mục quản lý dễ dàng Tạo ba thư mục: FWlib để quản lý các file.c ngoại vi như usart và spi, Main chứa chương trình chính main.c, và System chứa các thư viện hệ thống Để thêm file, nhấn vào Add Files Các thư viện sử dụng thuộc STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.1.2 có thể tải xuống từ [đây](https://github.com/jwithee/bearboard/tree/master/libraries/STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.1.2/Libraries).

Hình 4.8 Thêm thư viện vào project

Trong thư mục system, bạn sẽ tìm thấy các thư viện quan trọng như core_cm3.c, system_stm32f10x.c và startup_stm32f10x_hd.s Mặc dù ba thư viện này nằm trong thư mục CMSIS, để hiển thị file startup_stm32f10x_hd.s, bạn cần chọn "All files" trong mục "Files of types" Hãy lưu ý rằng bạn cần chọn các dòng hd, md, cl hoặc ld phù hợp với dòng chip mà bạn đang sử dụng.

Bước 5: Sau khi nhấn OK, ta tiến hành thêm các đường dẫn chứa file.h theo Hình 4.9

Bước 6: Chọn hình thức nạp, ở đây chọn ST Link.

Sau đó nhấn vào Setting rồi chọn SW.

Sau khi nhấn vào Flash Download chọn Reset and Run.Rồi nhấn OK.

Hình 4.12 Chỉnh các thiết lập cho mạch

Chú ý: Tùy dòng chip sử dụng mà chọn mục trong Programming Algorithm cho phù hợp.

Bước 7: Mở file main.c lên tiến hành lập trình sau khi lập trình xong thì tiến hành biên dịch và nạp vào mạch.

Hình 4.13 Biên dịch và nạp code b Viết chương trình cho hệ thống

Chương trình được bổ sung vào phần phụ lục.

4.2.3 Yêu cầu thiết kế và lưu đồ giải thuật bên Android a Yêu cầu thiết kế chương trình trên điện thoại thông minh Đầu tiên điện thoại thông minh phải kết nối với WiFi do ESP 8266 phát ra, sau đó chạy ứng dụng, ứng dụng xuất hiện màn hình thứ nhất, màn hình sẽ kết nối với hệ thống thông qua WiFi của ESP 8266, lúc này ứng dụng cho phép người dùng nhập tên và mật khẩu WiFi nhà mình gửi nó cho hệ thống và chờ đợi hệ thống gửi kết quả phản hồi về Nếu tại nhà hoặc nơi đó không có WiFi thì ứng dụng có nút để bỏ qua bước nhập tên và mật khẩu WiFi.

Khi chuyển sang màn hình thứ hai, người dùng sẽ thấy danh sách các thiết bị điều khiển hồng ngoại phổ biến như tivi, máy lạnh, quạt, và đầu DVD Sau khi chọn thiết bị muốn điều khiển, màn hình sẽ hiển thị giao diện điều khiển tương ứng Màn hình thứ hai cũng cho phép gửi tín hiệu để "học" và lưu lại trong hệ thống, đồng thời người dùng có thể xóa các tín hiệu không cần thiết hoặc khôi phục bộ nhớ dữ liệu về trạng thái ban đầu.

Màn hình điều khiển bao gồm các nút nhấn, ban đầu chưa có dữ liệu và người dùng cần gán dữ liệu cho các nút này bằng cách nhấn nút cho phép gán tín hiệu trên thanh tiêu đề Các nút đã có dữ liệu sẽ hiển thị trên màn hình để người dùng dễ dàng nhận biết Tên thanh tiêu đề do người dùng đặt và có thể thay đổi theo ý muốn Ngoài ra, người dùng có thể di chuyển đến các màn hình điều khiển khác của cùng một thiết bị, chẳng hạn như các màn hình điều khiển tivi khác, hoặc trở về màn hình thứ hai để chọn thiết bị khác.

1 Đặt tên lưu lại, cho phép thay đổi tên, dữ liệu và xóa.

Nhập và gửi tên mật khẩu WiFi của router Nhận IP từ kit

Kết nối với IP nhận được từ kit, tạo dữ liệu ban đầu

Kết nối với WiFi của kit

Cho phép gán dữ liệu

Nhấn nút gửi tín hiệu điều khiển xuống kit Đ

Xuất hiện thông báo, chọn tín hiệu cần gán cho nút

Gửi tín hiệu cho phép học Đ

Nhận tín hiệu học về

Hình 4.14 Lưu đồ chương trình trên Android

Khi mở ứng dụng trên điện thoại thông minh, người dùng sẽ yêu cầu kết nối WiFi với thiết bị kit Ứng dụng cho phép nhập tên và mật khẩu WiFi tại địa điểm như nhà, văn phòng hay quán cà phê Sau khi kết nối, điện thoại sẽ nhận địa chỉ IP từ router và chuyển tiếp thông tin này đến kit Tiếp theo, điện thoại sẽ gửi tín hiệu yêu cầu học, và sau khi kit hoàn tất quá trình học, người dùng có thể đặt tên và lưu tín hiệu Người dùng cũng có thể chỉnh sửa tên hoặc xóa tín hiệu đã lưu Nếu không có WiFi từ router, ứng dụng sẽ tự động kết nối với WiFi do kit phát ra để thực hiện các thao tác nhận, lưu và gửi tín hiệu như bình thường.

4.2.4 Giới thiệu phần mềm Android Studio a Khái quát về phần mềm Android Studio và cách cài đặt

Android Studio, công cụ lập trình mới do Google phát triển, hỗ trợ tốt cho việc bố cục ứng dụng trên nhiều thiết bị, đảm bảo tính tương thích với cả smartphone và tablet Phần mềm này cung cấp khả năng kéo thả các thành phần đồ họa, giúp quá trình xây dựng ứng dụng trở nên dễ dàng và nhanh chóng Android Studio là IDE phổ biến được Google hỗ trợ, thuận lợi cho việc lập trình ứng dụng Để cài đặt, người dùng có thể tải Android Studio từ trang chính thức tại: https://developer.android.com/sdk/index.html.

Để cài đặt Android Studio, bạn cần phải cài đặt Java trước Bạn có thể tải Java từ trang web của Oracle tại [đây](http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html) Sau khi tải về, bạn tiến hành cài đặt như một phần mềm bình thường Đặc biệt, nếu bạn sử dụng Windows 7, bạn cần cấu hình môi trường Java sau khi cài đặt.

Sau khi cài xong java xong, tiến hành cài đặt Android Studio, trong quá trình cài đặt sẽ xuất hiện màng hình như hình dưới.

Hình 4.16 Cài đặt Android Studio

Android SDK là bộ công cụ thiết yếu để phát triển ứng dụng cho hệ điều hành Android, bao gồm các thư viện, bộ dò lỗi, thiết bị mô phỏng, tài liệu cho Android API, chương trình mẫu và hướng dẫn sử dụng.

Android Virtual Device (AVD) là một cấu hình thiết bị ảo cho phép chạy giả lập Android, cung cấp môi trường để cài đặt và thử nghiệm ứng dụng Tuy nhiên, do Android Studio có thể chạy chậm, người dùng nên xem xét sử dụng Genymotion, một giả lập Android nhanh hơn, để cải thiện hiệu suất.

- Performance: là phần cứng hỗ trợ tốc độ khi chạy máy ảo Android, có thể bỏ qua. b Cách sử dụng phần mềm Android Studio cơ bản

Trước tiên vào phần mềm Android Studio, sẽ thấy màn hình như hình dưới và chọn theo dấu mũi tên màu đỏ.

Hình 4.17 Tạo project mới trong Android

- Application Name: tên ứng dụng của muốn lập trình.

- Company Domain: có thể đặt theo định dạng sau tên mình.tên công ty.tên ứng dụng mình đang làm.

- Project location: đường dẫn chứa tệp tin chương trình.

Hình 4.18 Tạo project mới trong Android

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC VỚI HỆ THỐNG

Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sử dụng nguồn 9V DC.

Bước 2: Đăng nhập vào WiFi của esp8266 Với tên là: WIFIESP và password mặc định là 1122334455.

Bước 3: Tiến hành mở ứng dụng IR Kit đã lập trình sẵn trên điện thoại.

Khi đăng nhập lần đầu, bạn cần nhập tên WiFi và mật khẩu của mạng đang sử dụng Sau đó, nhấn nút “WIFI” và chờ Kit gửi địa chỉ IP về điện thoại Nếu không nhận được IP, hãy nhấn nút “WIFI” thêm 2 hoặc 3 lần nữa.

IP thì thoát ứng dụng ra chạy lại.

Bước 5: Mở lại ứng dụng và nhấn vào nút “WIFI” Sau đó, đăng nhập vào mạng WiFi mà bạn đang sử dụng và tiếp tục nhấn vào mũi tên ở góc phải màn hình.

Bước 6: Khi đã truy cập vào giao diện chính, hãy nhấn vào biểu tượng dấu cộng ở góc phải màn hình để gửi lệnh cho phép phần cứng lưu dữ liệu từ điều khiển Mỗi lần nhấn tương ứng với một nút trên điều khiển, giúp quá trình ghi nhận dữ liệu diễn ra hiệu quả.

Khi phần cứng đã lưu dữ liệu thành công vào thẻ nhớ, điện thoại sẽ nhận được vị trí lưu trữ và hiển thị hộp thoại yêu cầu người dùng đặt tên cho tín hiệu và lưu lại bằng nút “Save” Người dùng có thể nhấn vào biểu tượng ba chấm ở góc phải màn hình để truy cập vào mục "Setting signal", nơi cho phép đặt lại tên, xóa tín hiệu, và có chức năng xóa toàn bộ dữ liệu lưu trên điện thoại khi cần thiết.

“Recover” và thoát ứng dụng khi nhấn “Exit”.

Bước 8: Sau khi đã hoàn tất việc đặt tên, giao diện sẽ hiển thị các biểu tượng như điều hòa không khí, quạt, tivi Tùy thuộc vào tín hiệu từ điều khiển của từng loại thiết bị, bạn hãy chọn mục tương ứng.

9: Sau khi nhấn vào biểu tượng đó ví dụ như television thì sẽ hiện lên một bảng điều khiển ta sẽ tiến hành gán dữ liệu vào các nút điều khiển bằng cách nhấn vào biểu

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG tượng dấu cộng ở góc phải màn hình sau đó chọn tên tín hiệu mà ta đã cài đặt ở bước trước để gán vào các nút nhấn Bên góc phải màn hình có biểu tượng ba chấm thằng đứng (menu) cho phép ta đặt tên loại điều khiển và chuyển sang các giao diện điều khiển khác.

Bước 10: Sau khi hoàn tất việc gán nút, bạn chỉ cần nhấn các nút đã gán dữ liệu để phần cứng phát tín hiệu hồng ngoại đến thiết bị cần điều khiển Nếu gặp sự cố như mất kết nối wifi từ kit (WIFIESP), hãy nhấn nút reset trên thiết bị hoặc rút nguồn và cắm lại Nếu không nhận được IP từ phần cứng đã kết nối với router, hãy nhấn nút "WIFI" trên điện thoại 3 hoặc 4 lần Nếu vẫn không thành công, hãy thoát và mở lại ứng dụng hoặc reset thiết bị trước khi mở lại ứng dụng.

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	14,24 MB