Tải bản đầy đủ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BẢNG MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN AVR THỰC HIỆN GIÁM SÁT DỮ LIỆU CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THÔNG QUA KẾT NỐI BLUETOOTH BẰNG SMARTPHONE

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.......................................................................2

1.1. Nguyên lý hoạt động...................................................................................2
1.2. Mục tiêu......................................................................................................2
1.3. Chức năng, thông số kỹ thuật của đề tài.....................................................2
1.3.1 Yêu cầu tính năng...................................................................................2
1.3.2 Yêu cầu phi tính năng............................................................................2
1.3.3. Chức năng thực hiện của mạch điện.....................................................2
Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH................................................................3

2.1. Sơ đồ khối chức năng..................................................................................3
2.1.1. Sơ đồ khối.............................................................................................3
2.1.2. Cách thức kết nối giữa các khối:...........................................................3
2.2. Nguyên lí và cấu tạo từng khối chức năng:.................................................4
2.2.1 Nguyên lí hoạt động:..............................................................................4
2.2.2. Cấu tạo khối Microcontroller:...............................................................4
2.2.3 Cấu tạo khối LCD:.................................................................................5
2.2.4 Cấu tạo khối Relay.................................................................................5
2.2.5 Cấu tạo khối mạch nguồn:.....................................................................6

2.2.6 Cấu tạo khối tạo dao động:....................................................................7
2.6.7 Cấu tạo khối mạch nạp JTAG PROGRAM:..........................................7
2.6.8 Cấu tạo khối Module bluetooth..............................................................7
2.6.9 Khối RESET..........................................................................................8
2.9.10 Cấu tạo khối giao diện Smartphone:....................................................8
2.9.11 Cấu tạo khối cảm biến LM35:............................................................10
Chương 3: KẾT QUẢ SẢN PHẨM..........................................................................11

3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện và danh sách linh kiện cần dùng:..................11
3.1.1 Sơ đồ nguyên lí:...................................................................................11
3.1.2. Danh sách các linh kiện cần dùng:......................................................11
3.2. Sơ đồ mạch in............................................................................................12
3.3 Hướng ứng dụng đề tài vào các sản phẩm trên thực tế:.............................13
3.4 Ưu, nhược điểm của mạch thiết kế:...........................................................13
1


3.4.1 Ưu điểm:..............................................................................................13
3.3.2. Nhược điểm.........................................................................................13
KẾT LUẬN................................................................................................................14
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................15

2


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Nguyên lý hoạt động
Đây là đề tài “Thiết kế chế tạo bảng mạch vi điều khiển AVR thực hiện giám sát
dữ liệu cảm biến nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua kết nối Bluetooth bằng
Smartphone”. Đề tài thiết kế một bảng mạch vi điều khiển sử dụng vi điều khiển AVR
Atmega32 và cảm biến LM35 để đo nhiệt độ thời gian thực. Từ đó hiển thị nhiệt độ
lên LCD và thực hiện điều khiển các thiết bị dựa vào nhiệt độ thực tế thông qua ứng
dụng trên Smartphone sử dụng kết nối Bluetooth.
1.2. Mục tiêu
Hiểu được nguyên lý hoạt động và cách thiết kế một bảng mạch sử dụng kết nối
Bluetooth để điều khiển.
Tạo ra bảng mạch hoàn chỉnh, hình thức đẹp, nhỏ gọn với chi phí thấp nhất và
thực hiện chính xác, ổn định những chức năng mà đề tài yêu cầu:
 Tiếp nhận lệnh điều khiển thông qua kết nối Bluetooth trên module
Bluetooth.


 Hiển thị được nhiệt độ thời gian thực lên LCD.
 Thực hiện điều khiển các thiết bị điện thông qua Relay
Tạo ra được phần mềm điều khiển qua kết nối Bluetooth trên Smartphone.
1.3. Chức năng, thông số kỹ thuật của đề tài
1.3.1 Yêu cầu tính năng
- Nguồn cấp: Input 9 - 12 VDC. Có mạch nguồn ổn áp 5 VDC trên bảng mạch.
- Vi điều khiển: Atmega32
- Module Bluetooth nhận tín hiệu điều khiển từ ứng dụng trên Smartphone.
- Màn hình LCD và Relay để thực hiện các đáp ứng tương ứng với tín hiệu
Bluetooth nhận được.
- Thiết kế đầy đủ các mạch của vi điều khiển: mạch reset, dao động thạch anh,
cổng nạp chip…
1.3.2 Yêu cầu phi tính năng
- Kích thước giới hạn bảng mạch: 9x15cm. Sắp xếp linh kiện và đi dây khoa học.
- Thiết kế các đầu kết nối hợp lý.
1.3.3. Chức năng thực hiện của mạch điện
- Hiển thị nhiệt độ phòng thời gian thực và đưa ra các cảnh báo cần thiết
- Nhận tín hiệu điều khiển từ ứng dụng trên Smartphone để bật tắt các thiết bị
điện thông qua Relay.

3


Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH
2.1. Sơ đồ khối chức năng
2.1.1. Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng.
2.1.2. Cách thức kết nối giữa các khối:
Khối Microcontroller là khối điều khiển trung tâm thực hiện kết nối với các khối
khác như sau:
 Sử dụng giao thức truyền nhận dữ liệu UART, Tx phát, Rx thu để kết nối với
Module Bluetooth, Tx của module nối với chân Rx của vi điều khiển, Rx của
module nối với chân Tx của vi điều khiển.
 Kết nối với khối LCD với chế độ 4 bit, sử dụng chân D4, D5. D6, D7 để kết
nối với 4 cổng GPIO của vi điểu khiển, các chân RS để chọn thanh ghi, chân
RW để chọn chế độ đọc/ghi, chân E (Enable) để cấp xung kết nối với 3 cổng
GPIO của vi điều khiển.
 Kết nối với khối Reset qua chân Reset của vi điều khiển.
 Sử dụng nguồn từ khối mạch nguồn, cấp nguồn 5v vào các chân VCC, cấp đất
vào chân GND của vi điều khiển.
 Kết nối với khối tạo dao động qua hai chân XTAL1 và XTAL2 của vi điều
khiển.
 Kết nối với mạch nạp AVR ISP qua các chân MISO, MOSI và SCK của vi
điều khiển.
 Kết nối với 2 Relay qua 2 cổng GPIO của vi điều khiển.

4


 Kết nối với cảm biến LM35 qua một chân ADC của vi điều khiển, để kích hoạt
ADC của vi điều khiển hoạt động, ta cấp thêm nguồn 5v vào hai chân AREF
và AVCC của vi điều khiển.
Khối Module Bluetooth kết nối với Smartphone qua một app adroid, app được
tạo để phát tín hiệu cho Module khi thực hiện một lệnh trong app, app chính là giao
diện để điều khiển và giám sát thiết bị.
2.2. Nguyên lí và cấu tạo từng khối chức năng:
2.2.1 Nguyên lí hoạt động:
Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ smartphone, thông qua giao diện app
adroid và Module Bluetooth, sau đó thực hiện điều khiển thiết bị điện thông qua relay.
Bên cạnh đó để giám sát nhiệt độ thì vi điều khiển sẽ so sánh mức chênh lệch
điện áp từ chân Vout của LM35 với điện áp chuẩn 5v để cho ra nhiệt độ thực, hiển thị
qua màn hình LCD 16x2 và có thể thực hiện gửi dữ liệu nhiệt độ lên smartphone.
2.2.2. Cấu tạo khối Microcontroller:
Khối Microcontroller sử dụng vi điều khiển Atmega 32, đây là vi điều khiển 8
bit, so với các vi điều khiển 32 hay 64 bit thì khả năng xử lí thấp hơn nhưng cách thức
hoạt động đơn giản, phổ biến, chi phí thấp so với các tính năng được cung cấp, thêm
vào nhiều tính năng mới trong một IC duy nhất.

Hình 2.2 Sơ đồ pin Atmega32
2.2.3 Cấu tạo khối LCD:
Mạch sử dụng LCD 16x2:
5


Chân
1
2
3
4
5
6
7 – 14

15,16

Chức năng
VSS: tương đương với GND - cực âm
VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V)
Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình, sử dụng biến
trở 10k
Register Select (RS): điều khiển địa chỉ nào sẽ được ghi dữ liệu
Read/Write (RW): Đọc (read mode) hay ghi (write mode) dữ liệu?
Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
D0 – D7: 8 chân dư liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW
nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH
hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode)
Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật
đèn màn hình LCD.

Hình 2.3. Cấu tạo khối LCD

2.2.4 Cấu tạo khối Relay
Khối relay sử dụng relay 8 chân 5vdc, transitor NPN 2N222, và 3 con trở 1k, 10k
và 100 Ôm.

Hình 2.4. Cấu tạo khối relay.
Ở hình vẽ trên ta sử dụng Trans NPN 2N222 để kích dòng cho Role đóng tiếp
điểm thường mở, nguyên lý hoạt động như sau:
- Khi tín hiệu đưa vào là mức 0 (Tức =0V) thì 2N222 không dẫn do không có
dòng IBE >> Role không làm việc.
- Khi tín hiệu đưa vào là mức 1 (Tức =5V) thì sẽ qua R1K hạn dòng, phân áp qua
R10k làm cho 2N222 dẫn thông lúc này ta có dòng Ice là dòng điện chạy qua
6


-

cuộn dây >> 2N222 >> Mát, Role đóng tiếp điểm thường mở (ĐK thiết bị nào
đó).
Mục đích của R1k là tạo dòng vào cực B của trans tới ngưỡng bão hòa để trans
hoạt động như 1 chiếc khóa có điều kiện.
Led có tác dụng báo hiệu, trở 100 Ôm hạn dòng cho led.
Jack để kết nối với thiết bị điện ở ngoài.

2.2.5 Cấu tạo khối mạch nguồn:
Khối mạch nguồn 5v có tác dụng chuyển đổi điện áp 12VDC từ adapter thành
nguồn 5V ổn định hơn, sử dụng IC ổn áp 7805 và 2 tụ phân cực 100uF và 1000uF, 2
con tụ 104.

Hình 2.5. Cấu tạo khối mạch nguồn.
Con tụ C1 và C2 có tác dụng lọc nguồn đầu vào, tụ có điện dung càng lớn thì
lọc càng mịn. Tụ C3 và C5 có tác dụng lọc nguồn đầu ra. Thông thường trong các
mạch nguồn thì hoạt động ở tần số thấp nên người ta thường dùng tụ phân cực hơn,
tụ không phân cực thường dùng cho mạch hoạt động ở tần số cao để lọc nhiễu.
IC 7805 có tác dụng chuyển điện áp đầu vào 12V thành điện áp đầu ra 5V, với định
danh dòng điện ra khoảng 1A, nhưng thực tế chỉ 0,5 A.
Led nguồn để báo hiệu có điện vào từ adapter.
Công tắc nguồn để điều khiển đóng ngắt toàn bộ mạch.
2.2.6 Cấu tạo khối tạo dao động:
Khối tạo dao động sử dụng một con thạch anh 12Mhz, và 2 con tụ 33pF.

Hình 2.6. Cấu tạo khối tạo dao động.

7


Thạch anh là bộ dao động khá ổn định để tạo ra tần số dao động cho vi điều
khiển.
Để tăng độ ổn định tần số, ta dùng thêm 2 tụ nhỏ C6, C7 (33pF x2), tụ bù
nhiệt ổn tần.
2.6.7 Cấu tạo khối mạch nạp JTAG PROGRAM:
Khối mạch nạp sử dụng nạp chuẩn ISP AVR, sử dụng 1 jum đực 10 chân.

Hình 2.7. Cấu tạo khối mạch nạp.
2.6.8 Cấu tạo khối Module bluetooth
Khối Module Bluetooth sử dụng Module Bluetooth HC-05

Hình 2.8. Cấu tạo khối module bluetooth.
Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC,sử dụng jum cái 5 chân để kết nối với module,
giao tiếp theo chuẩn UART.
2.6.9 Khối RESET
Khối RESET sử dụng 1 button và 1 tụ với điện trở kéo lên.

8


Hình 2.9. Cấu tạo khối Reset.
Tụ điện có tác dụng chống rung phím khi nhấn button.
2.9.10 Cấu tạo khối giao diện Smartphone:
Trên smartphone tiến hành cài đặt ứng dụng BluetoothController.apk
Ứng dụng BluetoothController gồm có 3 màn hình:
+ Screen1: Loading
+ Screen2: Kết nối Bluetooth - Lựa chọn thiết bị kết nối
+ Screen3: Điều khiển thiết bị.
Sau khi ứng dụng được cài đặt, khởi chạy ứng dụng. Screen1 được kích hoạt,
chờ cho ứng dụng loading 100% (Hình 2.10) màn hình sẽ chuyển sang Screen2.
Khi Screen2 được kích hoạt sẽ có 2 trường hợp:
+ Nếu smartphone chưa được bật Bluetooth, một bảng thông báo sẽ hiện ra yêu
cầu cho phép ứng dụng bật Bluetooth trên thiết bị (Hình 2.10). Nếu Cho phép
ứng dụng sẽ kích hoạt Bluetooth trên smartphone và bắt đầu lựa chọn thiết bị
kết nối (Hình 2.10). Nếu Hủy bỏ sẽ thoát ứng dụng.
+ Nếu smartphone đã được bật Bluetooth thì sẽ bắt đầu lựa chọn thiết bị kết nối
(Hình 2.10).

9


Hình 2.10. Giao diện app bluetooth controller.
Nhấn vào Danh sách thiết bị để chọn thiết bị cần kết nối. Ngoài ra có thể thoát
ứng dụng bằng cách nhấn vào nút Thoát.

Hình 2.11. Giao diện kết nối HC-05
Khi nhấn vào Danh sách thiết bị (Hình 2.11)
Lựa chọn thiết bị muốn kết nối:
+ Nếu kết nối thành công màn hình sẽ hiện thông báo Kết nối thành công !
Vui lòng chờ... (Hình 2.11), sau đó sẽ chuyển qua Screen3.
+ Nếu kết nối thất bại màn hình sẽ hiện thông báo Kết nối lỗi ! Vui lòng kết nối
lại ! (Hình 2.11)
10


Khi kết nối Bluetooth thành công sẽ chuyển sang Screen3.
Đối với RELAY 1: Khi switch ở trạng thái ON, ứng dụng sẽ gửi về mạch đoạn
text là “00”, khi switch ở trạng thái OFF, ứng dụng sẽ gửi về mạch đoạn text là “01”
Đối với RELAY 2: Khi switch ở trạng thái ON, ứng dụng sẽ gửi về mạch đoạn
text là “10”, khi switch ở trạng thái OFF, ứng dụng sẽ gửi về mạch đoạn text là “11”

Hình 2.12. Giao diện điều khiển và ngắt kết nối.
2.9.11 Cấu tạo khối cảm biến LM35:
Khối này sử dụng cảm biến LM35 và tụ phân cực 100uF, tụ có tác dụng lọc mức
điện áp tương tự đưa vào trước khi đưa vào chân ADC của vi điều khiển.

Hình 2.13. Cấu tạo khối cảm biến LM35

11


Chương 3: KẾT QUẢ SẢN PHẨM
3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện và danh sách linh kiện cần dùng:
3.1.1 Sơ đồ nguyên lí:
5v

3
4

8
5

7
G N D

G N D

XTA L1

6

1
3

4

8
5

10k

R 4
100

R 4
100

33pF

5v

5v

LM35

ATMEGA32

1

TP3

TP4

XTA L1

4
5
6
7
8
9
0
1

P
P
P
P
P
P
P
P

D
D
D
D
D
D
D
D

0
1
2
3
4
5
6
7

/(R X D )
/(T X D )
/(IN T 0 )
/(IN T 1 )
/(O C 1 B )
/(O C 1 A )
/(IC P )
/(O C 2 )

P C 7 /(T O S C 2 )
P C 6 /(T O S C 1 )
P C 5 /(T D I)
P C 4 /(T D O )
P C 3 /(T M S )
P C 2 /(T C K )
P C 1 /(S D A )
P C 0 /(S C L )

2
2
2
2
2
2
2
2

9
8
7
6
5
4
3
2

PC 7

PC 7
PC 6
PC 5
PC 4

R E S LC D
470

T P O IN T A T P O IN T A T P O IN T A T P O IN T A

PC 2
PC 1
PC 0

V S S (G N D )

VD D

1

2

Vo

R S

3

4

5

6

E

D B0
7

D B2

D B1
8

D B3

PC 1

PC 0

PC 2
2

MACH NAP

5v

10k

G N D

3

5v

VOUT

Led nguon

C 1
1000uF

C 2
104

5v

1

+

C 5

C 3
100uF

2

+

1k

RESET

J5

GND

R 11

A d a pter 1 2V D C

O n ap
7805

2

2
1

PC 4

G N D

VIN 1
C o n g ta c n g u o n

PC 5

5v

MACH NGUON
J1

PC 6

1

1

TP2

5v

R ESET

1

TP1

1
1
1
1
1
1
2
2

5v

30

11
31

1

CHAN OC

PD 4
PD 5

13

32

B IE N T R O
3

TX

PA0

9

XTA L2
AR EF

R X

0
9
8
7
6
5
4
3

R ESET

12

AVC C
XTA L1

4
3
3
3
3
3
3
3

D B4

)
)
)
)
)
)
)
)

10

0
1
2
3
4
5
6
7

D B5

C
C
C
C
C
C
C
C

11

D
D
D
D
D
D
D
D

D B6

/(A
/(A
/(A
/(A
/(A
/(A
/(A
/(A

12

0
1
2
3
4
5
6
7

D B7

A
A
A
A
A
A
A
A

13

P
P
P
P
P
P
P
P

K (L E D -)

9

XTA L2

/(X C K /T 0 )
/(T 1 )
/(IN T 2 /A IN 0 )
/(O C 0 /A IN 1 )
/(S S )
/(M O S I)
/(M IS O )
/(S C K )

14

R ESET

5v
G N D
TX
R X

0
1
2
3
4
5
6
7

A ( LE D +)

M o d u le

6
5
4
3
2
1

B
B
B
B
B
B
B
B

16

2

M O SI
M IS O
SC K

P
P
P
P
P
P
P
P

VC C

100uF

A T M e g a 3 2 -D I P 4 0

G N D

15

IC 1
1
2
3
4
5
6
7
8

L M 3 5 /S O

MODULE

LCD 16x2

L C D -1 6 0 2

G N D

VO U T

5v
10

1

G N D
G N D

VS+

U 11

5v

U 15
G N D

3
TU LM 35

PA0

R /W

TU C R Y 2
1
2

10k

1
2

R ELAY D PD T

R 3
7

C R Y S TAL

ja c k 2

LED

K3

R ELAY D PD T

3
G N D

2N 222 2
2

1k

K3
R 3

12M hz

TU C R Y 1

R 2
PD 5

G N D

2
1

3

1
2

1k

XTA L2

2

6

2N 222 2
2

2
1

33pF

ja c k 2

LED

1

R 2
PD 5

D 11

RELAY 2

G N D
5v

CRYSTAL
1

D 11

RELAY 1

G N D

1
3
5
7
9

2
4
6
8
10

M O SI
R ESET
SC K
M IS O

5v

R e s e t b u tto n

104
10k

G N D

JU MPER 5

S1

R 1

T U RE S E T

1uF

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lí thực hiện
3.1.2. Danh sách các linh kiện cần dùng:
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

TÊN LINH KIỆN
ATMEGA32
RELAY 5V 8 CHÂN
TRANSITOR 2N222
LM35
ADAPTER 12VDC
LED
TRỞ 100 ÔM
TRỞ 1K
TRỞ 10K
BIẾN TRỞ 10K
TRỞ 470 ÔM
BUTTON 4 CHÂN
CÔNG TẮC GẠT 1 BIT
12

SỐ LƯỢNG
1
2
2
1
1
3
2
3
3
1
1
1
1

G N D


14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

TỤ 1uF
TỤ PHÂN CỰC 100uF
TỤ PHÂN CỰC 1000uF
TỤ 104
TỤ 33pF
IC 7805
THẠCH ANH 12MHZ
JUM CÁI 6 CHÂN (DÙNG CHO MODULE)
JUM CÁI 16 CHÂN (DÙNG CHO LCD)
JUM ĐỰC 10 CHÂN (DÙNG CHO MẠCH NẠP)
LCD 16X2
MODULE BLUETOOTH HC-05
JACK CẮM HAI LỖ (DÙNG ĐỂ KẾT NỐI NGUỒN)
ĐẾ IC 40 CHÂN

3.2. Sơ đồ mạch in
Mạch in sử dụng hai lớp, lớp TOP và lớp BOTTOM.

Hình 3.2. Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM

13

1
2
1
2
2
1
1
1
1
2
1
1
3
1


Hình 3.3. Sơ đồ mạch in lớp TOP
3.3 Hướng ứng dụng đề tài vào các sản phẩm trên thực tế:
Đây là mạch có tính ứng dụng cao, có thể áp dụng vào điều khiển các thiết bị
điện trong nhà thông qua smartphone, có thể giám sát được thông số nhiệt độ tại phòng
ở, đặc biệt là thường được áp dụng trong hệ thống Smarthome. Ngày nay các thiết bị
thông minh trong nhà có mặt hầu hết ở trên thị trường, nhất là ở các nước phương Tây
phát triển, tuy nhiên ở Việt Nam các mặt hàng này còn hạn chế và ít được áp dụng, chỉ
có dân điện tử như chúng ta mới tìm hiểu và ứng dụng nó. Với giao thức điều khiển
thiết bị qua sóng bluetooth với tần số 2,4 Ghz và trong phạm vi 10m thì thiết bị hoàn
toàn có thể ứng dụng để điều khiển thiết bị điện và giám sát nhiệt độ trong phòng ở chỉ
qua smartphone.
3.4 Ưu, nhược điểm của mạch thiết kế:
3.4.1 Ưu điểm:
- Mạch đẹp và tương đối nhỏ gọn.
- Tốc độ xử lí nhanh.
- Giao diện app điều khiển dễ thực hiện
- Có thể điều khiển các thiết bị điện xoay chiều thông qua Rơ le.
3.3.2. Nhược điểm
- Mạch đi dây hai lớp nên chi phí khá cao.

14



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×