Bài tập các lệnh sử lí mặ solidworks hcmute

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot(20)

Similar to Đề tài: Mô hình ứng dụng IOT điều khiển các thiết bị điện trong nhà

Similar to Đề tài: Mô hình ứng dụng IOT điều khiển các thiết bị điện trong nhà(20)

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0909232620

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0909232620(20)

Recently uploaded

Recently uploaded(20)

Đề tài: Mô hình ứng dụng IOT điều khiển các thiết bị điện trong nhà

• 1. & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Đề Tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái SVTH: Nguyễn Huỳnh Tâm 16341022 Hình Đông Tịnh 16341024 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018
• 2. & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Đề Tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái SVTH: Nguyễn Huỳnh Tâm 16341022 Hình Đông Tịnh 16341024 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018
• 3. PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 12 tháng 1 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Huỳnh Tâm MSSV:16341022 Hình Đông Tịnh MSSV:16341024 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy chuyển tiếp Mã hệ: 3 Khóa: 2016 Lớp: 163410 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Cảm ứng điện dung từ tay ngƣời ngƣời dùng ............................................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 2. Nội dung thực hiện: - Điều khiển thiết bị thông qua Internet và theo dõi trạng thái thiết bị ....................... - Lƣu trữ dữ liệu vào cơ sỡ dữ liệu.............................................................................. - Xây dựng web server................................................................................................. - Thiết kế thi công mô hình ......................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/9/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/1/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. NGUYỄN VĂN THÁI CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
• 4. PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 12 tháng 1 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Huỳnh Tâm........................................................................... Lớp: 163410A............................................................... MSSV: 16341022....................... Họ tên sinh viên 2: Hình Đông Tịnh ................................................................................. Lớp: 163410A............................................................... MSSV: 16341024....................... Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà ................................................................................................. ........................................................................................................................................... Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 4 (tháng 9) Tìm hiểu sản phẩm thị trƣờng về công tắc thông minh. Tuần 1 (tháng 10) Tìm hiểu hoạt động của mạch ESP, nguồn, cảm ứng điện dung, mạch công suất. Tuần 2+3 (tháng 10) Thiết kế mạch nguồn, mạch công suất. Tuần 4 (tháng 10) Thiết kế mạch cảm ứng điện dung, mạch ESP Tuần 1 (tháng 11) Kiểm tra mạch, chỉnh sửa thiết kế Tuần 2+3 (tháng 11) Tìm hiểu về web server, cơ sở dữ liệu,... Tuần 4 tháng 11 Thiết kế web server, cơ sở dữ liệu,.... + chỉnh sửa, thiết kế board mạch Tuần 1 (tháng 12) Thiết lập kết nối ESP và server + chỉnh sửa thiết kế board mạch Tuần 2 (tháng 12) Chỉnh sửa phần cứng và phần mềm Tuần 3 (tháng 12) Tìm hiểu html, css, javascript,... Tuần 4 (tháng 12) Chỉnh sửa giao diện web Tuần 1 (tháng 1/2018) + hiện tại Kiểm tra hệ thống, chỉnh sửa + viết báo cáo. GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
• 5. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ  GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI  Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN HUỲNH TÂM MSSV: 16341022 Lớp: 163410A Số điện thoại liên lạc: 0972797876 Email: [email protected]  Họ tên sinh viên 2: HÌNH ĐÔNG TỊNH MSSV: 16341024 Lớp: 163410A Số điện thoại liên lạc: 01678922669 Email: [email protected] “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Ngƣời thực hiện đề tài Nguyễn Huỳnh Tâm Hình Đông Tịnh
• 6. em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Thái đã trực tiếp hƣớng dẫn và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Trung, giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, đã góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu để chúng em có thể thực hiện tốt đề tài. Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án. Chúng em c ng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 16341 đã chia sẻ trao đ i kiến thức c ng nhƣ những kinh nghiệm quý báu giúp đỡ chúng em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn! Ngƣời thực hiện đề tài Nguyễn Huỳnh Tâm Hình Đông Tịnh
• 7. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................. ii LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................iv MỤC LỤC...................................................................................................................v LIỆT KÊ HÌNH ........................................................................................................ vii LIỆT KÊ BẢNG..........................................................................................................x TÓM TẮT ĐỒ ÁN.....................................................................................................xi Chƣơng 1. TỔNG QUAN..............................................................................................1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU............................................................................................................2 1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN.....................................................................................2 1.4 GIỚI HẠN.............................................................................................................2 1.5 BỐ CỤC ................................................................................................................3 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................4 2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC ................................................4 2.1.1 Điều khiển trực tiếp từ mô hình .....................................................................4 2.1.2 Điều khiển thông qua web..............................................................................4 2.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG...........................................................................5 2.2.1 Mạch cảm ứng điện dung ...............................................................................5 2.2.2 Mạch công suất...............................................................................................8 2.2.3 Mạch xử lý trung tâm ...................................................................................10 2.2.4 Mạch nguồn..................................................................................................18 2.3 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM...........................................................................23 2.3.1 Web server....................................................................................................23 2.3.2 Cơ sở dữ liệu.................................................................................................24 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................26 3.1 GIỚI THIỆU........................................................................................................26 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................27 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................27 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ...........................................................................28 Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .........................................................................41 4.1 GIỚI THIỆU........................................................................................................41 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG.....................................................................................41
• 8. bo mạch .........................................................................................41 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra.......................................................................................51 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ............................................................57 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................57 4.3.2 Thi công mô hình..........................................................................................58 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG...................................................................................58 4.4.1 Lƣu đồ giải thuật của Web Server................................................................58 4.4.2 Lƣu đồ giải thuật của ESP............................................................................60 4.4.3 Phần mềm lập trình cho ESP........................................................................61 4.4.4 Phần mềm lập trình cho Web .......................................................................63 4.4.5 Phần mềm xây dựng cơ sở dữ liệu ...............................................................64 4.5 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC............................................................65 Chƣơng 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ ......................................................68 5.1 MẠCH CẢM ỨNG ĐIỆN DUNG......................................................................68 5.2 MẠCH XỬ LÝ TRUNG TÂM ...........................................................................69 5.3 MẠCH CÔNG SUẤT .........................................................................................69 5.4 MẠCH NGUỒN..................................................................................................70 5.5 KẾT QUẢ MÔ HÌNH .........................................................................................71 5.5 KẾT QUẢ PHẦN MỀM .....................................................................................71 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................73 6.1 KẾT LUẬN .........................................................................................................73 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................73 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................74 PHỤ LỤC .....................................................................................................................76
• 9. 2.1: IC Cảm ứng điện dung AT42QT2120.............................................................5 Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT42QT2120.........................................................................6 Hình 2.3: Triac BTA12 – 600BRG. ................................................................................8 Hình 2.4: Sơ đồ chân của triac BTA12 – 600BRG. ........................................................8 Hình 2.5: Sơ đồ chân và cấu tạo của MOC3020. ............................................................9 Hình 2.6: Sơ đồ chân ESP8266. ....................................................................................11 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cho ESP8266......................................................................13 Hình 2.8: Module tích hợp ph biến (Module ESP-12F)..............................................14 Hình 2.9: Sơ đồ chân của module ESP-12F..................................................................15 Hình 2.10: IC FT232. ....................................................................................................17 Hình 2.11: IC CP2102. ..................................................................................................17 Hình 2.12: IC PL-2303..................................................................................................17 Hình 2.13: IC CH340G..................................................................................................18 Hình 2.14: IC nguồn LNK3206G..................................................................................19 Hình 2.15: Sơ đồ khối chức năng của LNK3206G. ......................................................20 Hình 2.16: Sơ đồ chân của LNK3206G. .......................................................................20 Hình 2.17: IC MC34063................................................................................................21 Hình 2.18: Sơ đồ chân của MC34063. ..........................................................................22 Hình 2.19: Sơ đồ khối chức năng của MC34063. .........................................................22 Hình 2.20: Cách thức giao tiếp với web server. ............................................................24 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................27 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối cảm ứng điện dung. .............................................28 Hình 3.3: Sơ đồ khối của mạch ESP-12........................................................................30 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của mạch reset....................................................................31 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn sử dụng nguồn từ c ng USB...................31 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho ESP..............................................................32 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển GPIO.......................................................33 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm. ...................................................34 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý của khối công suất..............................................................37 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý của mạch 220VAC – 12VDC...........................................38 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch 12VDC-3,3VDC.....................................................39
• 10. thực tế board mạch của mô hình............................................................42 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 1. .............................................42 Hình 4.3: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 1............................................................43 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 1. ............................................43 Hình 4.5: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 1...........................................................44 Hình 4.6: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 1. ......................................................................44 Hình 4.7: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 2. .............................................45 Hình 4.8: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 2............................................................45 Hình 4.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 2. ............................................46 Hình 4.10: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 2.........................................................46 Hình 4.11: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 2. ....................................................................47 Hình 4.12: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 3. ...........................................47 Hình 4.13: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 3..........................................................48 Hình 4.14: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 3...........................................48 Hình 4.15: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 3.........................................................48 Hình 4.16: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 3. ....................................................................49 Hình 4.17: Mặt trên khối nguồn. ...................................................................................51 Hình 4.18: Mặt dƣới khối nguồn...................................................................................52 Hình 4.19: Mặt trên khối công suất...............................................................................53 Hình 4.20: Mặt dƣới khối công suất..............................................................................53 Hình 4.21: Mặt trên PCB thứ 2. ....................................................................................54 Hình 4.22: Mặt dƣới PCB thứ 2. ...................................................................................55 Hình 4.23: Mặt trên của mạch nạp USB-UART. ..........................................................56 Hình 4.24: Mặt dƣới của mạch nạp USB-UART..........................................................56 Hình 4.25: Board công tắc IoT......................................................................................57 Hình 4.26: Thiết kế vỏ hộp bằng phần mềm Solidworks..............................................58 Hình 4.27: Lƣu đồ của server........................................................................................59 Hình 4.28: Lƣu đồ của ESP...........................................................................................60 Hình 4.29: Phần mềm Arduino......................................................................................62 Hình 4.30: Phần mềm Visual Studio.............................................................................64 Hình 4.31: Phần mềm SQL Server Management Studio...............................................65 Hình 4.32: Các nút nhấn cảm ứng điện dung. ...............................................................65
• 11. diện đăng nhập vào web server. .........................................................66 Hình 4.34: Phòng số 01. ................................................................................................66 Hình 4.35: Phòng khách. ...............................................................................................66 Hình 4.36: Giao diện điều khiển và giám sát thiết bị....................................................67 Hình 5.1: Mô hình hoàn chỉnh sau thời gian thực hiện.................................................71 Hình 5.2: Giao diện web server.....................................................................................71 Hình 5.3: Giao diện điều khiển thiết bị của web server. ...............................................72
• 12. 2.1 Mô tả các chân của AT42QT2120 ở chế độ Standalone..................................7 Bảng 2.2: Các chế độ boot của ESP8266 và cấu hình chân GPIO................................12 Bảng 2.3: Một số module đƣợc AI-Thinker sản xuất....................................................14 Bảng 3.1: Trạng thái chuyển mạch tự động ..................................................................32 Bảng 3.2: Liệt kê công suất tiêu thụ của một số thiết bị điện gia dụng ........................35 Bảng 3.3: Thông số điện áp và dòng tiêu thụ của các linh kiện trong mô hình ............38 Bảng 4.1: Danh sách linh kiện.......................................................................................49
• 13. ÁN IoT vẫn còn là khái niệm khá mới với nhiều ngƣời. Nói một cách đơn giản, IoT là một hệ thống kết nối mọi thứ xung quanh chúng ta lại với nhau qua Internet, nhƣ xe hơi, các vật dụng trong nhà và thậm chí những hệ thống lớn phức tạp nhƣ đèn giao thông hay các cảm biến thời tiết. Chúng ta có thể điều khiển, quản lý hoặc thu thập các thông tin từ chúng một cách dễ dàng qua các thiết bị cầm tay. IoT đã và đang làm thay đ i cả thế giới, tại Việt Nam trong khoảng 4 năm trở lại đây, IoT đã từng bƣớc đƣợc ứng dụng trong một số lĩnh vực của cuộc sống, tuy nhiên chỉ dừng lại ở mức rời rạc, chƣa đồng bộ. Những lợi ích và tiềm năng phát triển của IoT là rất lớn, ở đâu có kết nối Internet ở đó đều có khả năng xuất hiện các thiết bị IoT mang đến giá trị thông qua việc truyền tải và trao đ i thông tin, dữ liệu. Dù cho sự phát triển của IoT đang tăng lên với tốc độ chóng mặt, nhƣng việc điều khiển thiết bị dân dụng vẫn còn dùng công tắc cơ. Công tắc cơ đã trở nên lạc hậu trong thời đại “Internet thế giới phẳng”. Công tắc cần đƣợc thay đ i theo cách hiện đại hơn, việc kết hợp 2 ý tƣởng công tắc điều khiển và IoT mà đề tài “thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà” ra đời. Trên thị trƣờng Việt Nam hiện nay, ý tƣởng công tắc kết nối Internet, công tắc thông minh đã đƣợc thực hiện bởi các doanh nghiệp tiêu biểu nhƣ LUMI, BKAV,… Đề tài này với mục tiêu đặt ra là đạt đƣợc những tính năng mà các công tắc thông minh trên thị trƣờng đang có. Là có thể điều khiển thiết bị từ xa thông qua Internet và điểm n i bật của mô hình là có thể giám sát trạng thái của thiết bị, có server quản lý và điều khiển thiết bị.
• 14. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật. Và ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things đã tạo nên những thay đ i đáng kể cuộc sống của chúng ta ở hiện tại và trong tƣơng lai. Với sự phát triển của Internet, Smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of Things (IoT) đang trở thành xu hƣớng mới của thế giới. IoT là một mạng lƣới các vật thể đƣợc gắn các cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với nhau để thu thập và trao đ i dữ liệu. Các vật thể trong mạng lƣới này có thể đƣợc kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển và giám sát từ xa. Việc chúng ta vào nhà, mở cửa, đèn sẽ tự động sáng ở chỗ ta đang đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ tự động bật lên,… những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tƣởng mà chúng ta thƣờng xem, đang dần trở thành hiện thực với công nghệ IoT. Trong cuộc sống thƣờng nhật, chúng ta đã quá quen thuộc với việc bật tắt các thiết bị bằng công tắc thông thƣờng. Với cuộc sống bộn bề ngày nay, chúng ta bị chi phối bởi nhiều thứ. Việc chúng ta ra khỏi nhà mà quên tắt đèn, điều hòa là chuyện không hiếm gặp. Với công tắc thông thƣờng, khi chúng ta rời khỏi nhà mà vẫn quên tắt các thiết bị trong nhà. Để tắt các thiết bị thì chỉ cách quay trở lại về nhà rồi tắt chúng. Điều này đôi khi gây ra cho chúng ta nhiều phiền toái. Để giải quyết vấn đề trên, nhóm đã lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ”, ứng dụng công nghệ IoT vào đời sống. Giúp chúng ta có thể bật tắt các thiết bị trong nhà ở mọi lúc mọi nơi. Ngoài chức năng bật tắt các thiết bị từ xa, đề tài của nhóm sẽ xây dựng thêm các chức năng giám sát trạng thái điều khiển, bật tắt của thiết bị. Đây là một đề tài không mới, nhiều anh chị khóa trƣớc c ng đã thực hiện. Nhƣng vẫn còn nhiều điểm cần cải thiện đó là tốc độ đáp ứng khi điều khiển thiết bị và giao diện điều khiển thiết bị. Vì vậy đề tài của nhóm trọng tâm sẽ thực hiện việc cải thiện tốc độ điều khiển thiết bị lên mức tối đa có thể, xây dựng giao diện điều khiển thiết bị có tính thẩm mỹ và thân thiện với ngƣời dùng.
• 15. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 1.2 MỤC TIÊU Tìm hiểu và thực hiện điều khiển các thiết bị trong nhà nhƣ đèn, quạt,… thông qua mạng Internet. Cụ thể là tìm hiểu chip ESP8266 để điều khiển thiết bị thông qua mạng wifi. Tìm hiểu và tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu, truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị và server. Xây dựng giao diện web server để điều khiển và giám sát thiết bị. Thiết kế và thi công mô hình. 1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN NỘI DUNG 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế mạch điều khiển sử dụng chip ESP8266. NỘI DUNG 2: Thiết kế mạch nguồn và mạch công suất cho mô hình. NỘI DUNG 3: Tìm hiểu và xây dựng cơ sở dữ liệu. NỘI DUNG 4: Thiết kế lƣu đồ giải thuật và viết chƣơng trình điều khiển thiết bị, thiết kế giao diện web server và để điều khiển, giám sát trạng thái đóng tắt của thiết bị thông qua Internet. NỘI DUNG 5: Thi công mô hình. NỘI DUNG 6: Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng c ng nhƣ chƣơng trình để mô hình đƣợc tối ƣu. Đánh giá các thông số của mô hình. NỘI DUNG 7: Viết báo cáo thực hiện. 1.4 GIỚI HẠN  Mô hình chỉ điều khiển các thiết bị trong nhà có công suất dƣới 1000W.  Mô hình có thể điều khiển tối đa là 4 thiết bị.  Web server chỉ có thể điều khiển và giám sát trạng thái của 4 thiết bị.
• 16. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 1.5 BỐ CỤC Chƣơng 1: Tổng Quan Chƣơng này trình bày các phần: đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện, giới hạn và bố cục của đồ án. Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chƣơng này trình bày quy trình hoạt động của mô hình. Cụ thể:  Trình bày về lý thuyết về mạch nguồn, nguyên tắc hoạt động của mạch công suất, chip ESP8266 và mạch cảm ứng điện dung.  Trình bày lý thuyết về web server và cơ sở dữ liệu. Phƣơng thức truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị và web server. Chƣơng 3: Tính Toán và Thiết Kế Trình bày các phƣơng án thiết kế, tính toán các thông số và từ đó tiến hành thiết kế mạch nguồn, mạch công suất, mạch xử lý trung tâm, mạch cảm ứng. Thiết kế cơ sở dữ liệu, xây dựng giao diện web server. Chƣơng 4: Thi Công Hệ Thống Trong chƣơng này trình bày quá trình thực hiện thi công các board mạch, các phần điều khiển và phần cứng mô hình của đề tài. Sau đó lắp ráp một hệ thống mô hình hoàn chỉnh đã xây dựng trƣớc đó, để từ đó xây dựng nên lƣu đồ giải thuật và viết chƣơng trình điều khiển cho hệ thống. Sau khi có đƣợc mô hình và chƣơng trình điều khiển, tiến hành cho hệ thống hoạt động, tìm lỗi và khắc phục lỗi nếu có. Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chƣơng này trình bày kết quả mô hình, những yêu cầu đạt đƣợc và chƣa đạt đƣợc bao gồm cả về phần cứng và phần mềm. Từ đó đƣa ra nhận xét, đánh giá và tìm cách khắc phục. Chƣơng 6: Kết luận và Hƣớng phát triển Trình bày tóm tắt những việc làm đƣợc và chƣa làm đƣợc của cả mô hình. Nêu hƣớng phát triển của sản phẩm trong tƣơng lai.
• 17. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH Mô hình đƣợc sử dụng để đóng tắt thiết bị điện trong nhà 220VAC. Nguồn điện 220VAC là nguồn cung cấp cho toàn mô hình, 220VAC sẽ đƣợc chuyển đ i thành nguồn 12VDC, trƣớc khi hạ xuống thành nguồn 3,3VDC cấp cho các board mạch trong mô hình hoạt động. Công tắc có 4 phím cảm ứng, để điều khiển 4 thiết bị. Quá trình hoạt động nhƣ sau: 2.1.1 Điều khiển trực tiếp từ mô hình Khi ngƣời dùng chạm vào bề mặt phím cảm ứng điện dung của mô hình, tín hiệu điều khiển đƣợc đƣa tới bộ xử lý trung tâm, sau đó bộ xử lý trung tâm gửi tín hiệu điều khiển đến mạch công suất, cho phép đóng tắt thiết bị tƣơng ứng. Tiếp theo gửi dữ liệu chứa trạng thái của thiết bị lên server thông qua Internet, cụ thể là mạng wifi. Server sẽ tiếp nhận dữ liệu vừa gửi tới, kế đến tiến hành xử lý và lƣu dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. Cập nhật trạng thái hiện tại của thiết bị trên web. Ngƣời dùng có thể truy cập vào web để biết đƣợc trạng thái hiện tại của thiết bị. 2.1.2 Điều khiển thông qua web Ngƣời dùng truy cập vào web, server sẽ trả về trạng thái hiện tại của thiết bị lên web. Ngƣời dùng có thể lựa chọn thiết bị cần điều khiển. Khi ngƣời dùng tác động vào web, server sẽ gửi dữ liệu điều khiển về bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm nhận dữ liệu, sau đó tiến hành tác động để đóng mở thiết bị tƣơng ứng và đồng thời server sẽ cập nhật trạng thái của thiết bị vừa đƣợc tác động.
• 18. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 2.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG 2.2.1 Mạch cảm ứng điện dung a. Tổng quan [1] Cảm ứng điện dung là công nghệ cảm ứng dựa trên những thay đ i của điện tích trên màn hình khi tay ngƣời chạm nhẹ vào. Công nghệ này ra đời nhƣ một sự kế tục của các công nghệ cảm ứng trƣớc đó nhƣ cảm ứng hồng ngoại, cảm ứng sóng âm bề mặt và cảm ứng điện trở. Ƣu điểm của công nghệ này là ngƣời dùng không cần tác động mạnh lên lớp cảm ứng, chỉ cần chạm nhẹ. Về bản chất, cảm ứng điện dung có thể chia thành 2 loại: Một là cảm ứng đơn điểm, chỉ nhận đƣợc tối đa 1 chạm trong quá trình thao tác, hai là cảm ứng đa điểm (multi-touch), nghĩa là cho phép ngƣời dùng thực hiện đƣợc nhiều thao tác chạm cùng một lúc. b. IC cảm ứng điện dung AT42QT2120 [2] Hình 2.1: IC Cảm ứng điện dung AT42QT2120. AT42QT2120 sử dụng nguồn từ 1,8 ~ 5,5V, chỉ cần chạm vào lớp đồng tƣơng ứng với kênh cảm ứng điện dung thì kênh cảm ứng điện dung sẽ hoạt động tƣơng tự nhƣ tác động vào nút nhấn. Khi có điện dung thay đ i trên lớp đồng (nối với ngõ vào của IC AT42QT2120) thì ngõ ra tƣơng ứng của IC sẽ xuất ra 1 mức điện áp.
• 19. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 Thông số kỹ thuật:  Có 5 kênh cảm ứng, tối đa 12 kênh khi giao tiếp thông chuẩn I2C.  Điện áp làm việc từ 1,8 ~ 5,5V.  Dòng tiêu thụ khi hoạt động khoảng 0,55mA.  Kênh cảm ứng, có thể đƣợc tác động từ lớp nhựa có độ dày lên đến 10mm, lớp thủy tinh có độ dày lên đến 20mm. AT42QT2120 có 2 chế độ làm việc: chế độ Comms và chế độ Standalone. Với chế độ Comms: AT42QT2120 có thiết lập tối đa 12 kênh cảm ứng điện dung thông qua chuẩn giao tiếp I2C. Ở chế độ này, phải cần 1 vi điều khiển để giao tiếp với AT42QT2120. Với chế độ Standalone: AT42QT2120 hoạt động độc lập, có thể thiết lập tối đa 5 kênh cảm ứng điện dung. AT42QT2120 có dãy điện áp hoạt động rộng, dòng tiêu thụ thấp, có 5 kênh cảm ứng đáp ứng hơn cả yêu cầu của đề tài là 4 kênh, có thể mở rộng lên thành 12 kênh dễ dàng cho việc mở rộng và phát triển đề tài với quy mô lớn. Vì thế nhóm quyết định chọn AT42QT2120 để xây dựng mạch cảm ứng điện dung. Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT42QT2120.
• 20. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 Bảng 2.1 Mô tả các chân của AT42QT2120 ở chế độ Standalone STT Tên Kiểu chân Mô tả 1 KEY6 I/O Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 6 2 KEY5 I/O Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 5 3 KEY4 I/O Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 4 4 KEY3 I/O Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 3 5 KEY2 I/O Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 2 6 GUARD I/O Kênh bảo vệ (kênh thứ 1) 7 PROX I/O Kênh này đƣợc sử dụng nhƣ 1 cảm biến tiệm cận (kênh 0) 8 VSS P Nối với mass 9 VDD P Nối với nguồn 10 MODE I Dùng để lựa chọn chế độ hoạt động Chế độ Comms: nối chân MODE với VSS Chế độ Standalone: nối chân MODE với VDD 11 N/C OD Ở chế độ Standalone, chân này không sử dụng 12 RESET I Dùng để reset AT42Q2120, reset tích cực mức thấp 13 PXOUT OD Ngõ ra cực máng hở của kênh cảm biến tiệm cận 14 N/C OD Ở chế độ Standalone, chân này không sử dụng 15 N/C OD Ở chế độ Standalone, chân này không sử dụng 16 OUT6 I/O Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 6 17 OUT5 I/O Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 5 18 OUT4 I/O Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 4 19 OUT3 I/O Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 3 20 OUT2 I/O Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 2 Chú thích kiểu chân:  I: Chỉ có thể là chân ngõ vào (Input)  I/O: Có thể là chân ngõ vào hoặc ngõ ra (Input/Output)  P: Chân nguồn (Power)  OD: Chân loại cực máng hở (Open Drain)
• 21. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 2.2.2 Mạch công suất Mạch xử lý trung tâm sử dụng điện áp 3,3VDC, có công suất thấp nên không thể đóng tắt đƣợc thiết bị điện 220VAC. Để điều khiển đƣợc thiết bị, mạch xử lý trung tâm cần gửi tín hiệu điều khiển đến một mạch điện khác, đó là mạch công suất. Có nhiều loại mạch dùng để đóng cắt thiết bị điện 220VAC, nhƣng thông dụng nhất là mạch công suất dùng relay và mạch công suất sử dụng triac. Việc sử dụng mạch công suất dùng relay có 2 nhƣợc điểm lớn mà ngƣời dùng cần quan tâm là gây ồn và dễ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh. Với mạch công suất sử dụng triac, khi đóng cắt thiết bị sẽ không gây ra tiếng ồn, hạn chế phát sinh tia lửa điện nhƣ việc đóng cắt bằng relay nên giảm thiểu đƣợc việc gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh. Với những ƣu điểm trên nên nhóm quyết định sử dụng mạch công suất dùng triac để đóng tắt thiết bị điện 220VAC. a. Triac BTA12 – 600BRG [3] Hình 2.3: Triac BTA12 – 600BRG. Triac BTA12 – 600BRG là linh kiện bán dẫn có 3 cực lớp, làm việc nhƣ 2 thyristor mắc song song ngƣợc chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều. Hình 2.4: Sơ đồ chân của triac BTA12 – 600BRG.
• 22. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 Triac BTA12 đƣợc sử dụng trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều, điều khiển động cơ, điều khiển đóng tắt thiết bị điện,… Thông số kỹ thuật:  Điện áp cực đại chịu đƣợc: 600V.  Dòng điện thuận cực đại: 12A.  Điện áp điều khiển mở van: 1,3V  Dòng điều khiển mở van: 50mA  Nhiệt độ làm việc: - 40o C ~ 125o C. b. Opto Coupler MOC3020 [4] Opto MOC3020 là một linh kiện bán dẫn cấu tạo gồm 1 bộ phát quang và một cảm biến quang tích hợp trong 1 khối bán dẫn. Bộ phát quang là 1 diode phát quang dùng để phát ra ánh sáng kích cho các cảm biến quang (triac) dẫn. Hình 2.5: Sơ đồ chân và cấu tạo của MOC3020. MOC3020 đƣợc dùng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện áp hay công suất nhƣ khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn, có thể dùng để chống nhiễu cho các mạch cầu H, ngõ ra PLC, chống nhiễu cho các thiết bị đo lƣờng. Nguyên lý hoạt động: khi có dòng điện đủ lớn đi qua 2 đầu led trong opto, sẽ làm cho led phát sáng. Khi led phát sáng làm thông 2 cực của triac, mở cho dòng điện chạy qua. Thông số kỹ thuật: Emitter:  Dòng duy trì tối đa: 60mA.  Điện áp ngƣợc tối đa: 3V.  Điện áp thuận đầu vào: 1,5V.
• 23. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 Detector  Điện áp đầu ra tối đa chịu đƣợc: 400VAC.  Dòng tối đa trên triac: 1A.  Dòng kích LED tối đa: 30mA.  Dòng duy trì: 100µA. Mạch xử lý trung tâm sử dụng mức điện áp là 3,3V, để giao tiếp với mạch công suất dùng triac để điều khiển thiết bị điện 220VAC. Cần sử dụng opto để mạch xử lý trung tâm có thể điều khiển mạch công suất. Với các đặc tính trên, opto MOC3020 hoàn toàn đáp ứng đƣợc các yêu cầu sử dụng, nên nhóm quyết định sử dụng MOC3020. 2.2.3 Mạch xử lý trung tâm Mạch xử lý trung tâm sẽ nhận tín hiệu từ mạch cảm ứng điện dung, gửi tín hiệu yêu cầu bật tắt thiết bị tƣơng ứng đến mạch công suất. a. ESP8266 [5][6][7] ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2,4GHz có thể lập trình đƣợc, giá thành thấp đƣợc sản xuất bởi công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems. Đƣợc phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đƣa ra thị trƣờng dạng Module ESP-01, đƣợc sản xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker. Có khả năng kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm. Với giá cả có thể nói là rất rẻ so với tính năng và khả năng ESP8266 có thể làm đƣợc. ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều module lập trình mã nguồn mở giúp nhiều ngƣời có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh. Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trƣờng đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266.
• 24. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 Sơ đồ chân Hình 2.6: Sơ đồ chân ESP8266. Thông số kỹ thuật  32-bit RISC CPU : Tensilica Xtensa LX106 chạy ở xung nhịp 80 MHz.  Hỗ trợ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB.  64KBytes RAM thực thi lệnh.  96KBytes RAM dữ liệu.  64KBytes boot ROM.  Chuẩn wifi EEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz.  Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại công suất và matching network.  Hỗ trợ WEP, WPA/WPA2, Open network.  Tích hợp giao thức TCP/IP.  Hỗ trợ nhiều loại anten.
• 25. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12  Nguồn cấp từ 2,5VDC ~ 3,6VDC.  Dòng điện khi hoạt động trung bình khoảng 80mA.  Dòng I/O tối đa: 12mA.  16 chân GPIO.  Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I²C, PWM, I²S.  1 ADC 10-bit.  Dải nhiệt độ hoạt động rộng : -40o C ~ 125o C. Do không hỗ trợ bộ nhớ Flash nên các board sử dụng ESP8266 phải gắn thêm Flash bên ngoài, để ESP8266 có thể đọc chƣơng trình ứng dụng với chuẩn SPI hoặc SDIO. Các chế độ Boot của ESP8266 Bảng 2.2: Các chế độ boot của ESP8266 và cấu hình chân GPIO MTDO GPIO0 GPIO2 Mode Description L L H UART Download code from UART L H H Flash Boot from SPI Flash H x x SDIO Boot from SD card Chân MTD0 là chân GPIO15 của ESP8266. Ta có thể kết nối với điện trở kéo lên hoặc kéo xuống, dùng nút nhấn,… trên board để tạo tín hiệu High/Low cho các chân để chọn bộ nhớ chứa code trên board mà ESP8266 có thể đọc vào và thực thi (ví dụ nhƣ SPI Flash, SD Card). Ngoài ra ESP8266 còn có chế độ cho phép nạp code ứng dụng từ máy tính thông qua UART và lƣu vào bộ nhớ SPI Flash trên board. Chế độ này dùng để nạp code mới cho các board ESP8266. Để ESP8266 hoạt động, tất nhiên phải cần vài linh kiện cần thiết. Trong đó phần khó nhất là anten. Đòi hỏi phải đƣợc sản xuất, kiểm tra với các thiết bị hiện đại. Do đó trên thị trƣờng xuất hiện nhiều module và board mạch phát triển để ngƣời dùng có thể phát triển các ứng dụng.
• 26. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cho ESP8266. Ngoại trừ module ESP-WROOM-02 đƣợc phát triển bởi chính Espressif cho mục đích nghiên cứu các tính năng của ESP8266, các module ứng dụng ph biến hiện nay của ESP8266 đều đƣợc phát triển bởi công ty AI-Thinker. Hiện tại có khá nhiều module khác nhau cho ESP8266 đƣợc sản xuất bởi công ty AI-Thinker. Đặc điểm khác nhau giữa các module này bao gồm:  Loại anten đƣợc sử dụng (PCB anten, chip anten hoặc gắn anten ngoài).  Dung lƣợng chip Flash SPI trên board.  Kích thƣớc board của module.  Có gắn khung nhôm chống nhiễu hoặc không.  Số lƣợng GPIO đƣa ra chân kết nối. Hiện tại AI-Thinker sản xuất 14 loại module cho ESP từ module ESP-01 đến ESP-14.
• 27. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14 Bảng 2.3: Một số module đƣợc AI-Thinker sản xuất Ở thị trƣờng Việt Nam có 3 module đƣợc sử dụng ph biến và rộng rãi, đó là: ESP-01, ESP-07 và ESP-12F. Hình 2.8: Module tích hợp ph biến (Module ESP-12F). Theo yêu cầu đề tài của nhóm đề ra sẽ sử dụng 4 nút cảm ứng điện dung ngõ vào tƣơng ứng để điều khiển 4 thiết bị ngõ ra, vì thế số lƣợng chân GPIO để kết nối ít nhất
• 28. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15 là 8. Chính vì vậy nhóm quyết định lựa chọn module ESP-12F. Với các đặc điểm, thông số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu. Hình 2.9: Sơ đồ chân của module ESP-12F. Đặc điểm kỹ thuật của module ESP-12F:  Sử dụng PCB anten on-board.  Module đƣa ra 11 chân GPIO, 2 chân Tx, Rx cho UART, các chân cho SPI, chân RST để reset chip, 1 chân ADC.  Dung lƣợng SPI Flash là 4MByte.  Có thể hàn jumper để cắm dây vào các board khác hoặc hàn trực tiếp lên board ứng dụng. b. IC CH340G USB-UART [8] [9] Để mạch xử lý trung tâm có thể hoạt động theo ý muốn, ta cần phải viết chƣơng trình (code) cho nó. Khi viết chƣơng trình xong, để mạch xử lý trung tâm có thể hoạt động theo những yêu cầu mà chƣơng trình đã viết. Ta cần phải nạp chƣơng trình vào mạch xử lý trung tâm, bằng cách sử dụng mạch nạp. ESP8266 hỗ trợ cho ngƣời dùng 3 chế độ nạp (boot mode): nạp chƣơng trình từ máy tính thông qua UART, nạp chƣơng trình SPI Flash thông qua SPI và nạp chƣơng trình từ SD Card thông qua SDIO. Với 3 chế độ trên, chế độ nạp thông qua SPI và SDIO gây bất tiện cho ngƣời dùng, để nạp chƣơng trình ngƣời dùng cần phải lƣu chƣơng trình vào SPI Flash hay SD Card. Còn với chế độ nạp thông qua UART, ngƣời dùng có thể nạp chƣơng trình trực tiếp từ máy tính, ta có thể thấy rõ sự linh hoạt vƣợt
• 29. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16 trội ở chế độ này so với 2 chế độ còn lại. Để thực hiện chế độ nạp này, ta cần thiết kế mạch chuyển đ i từ USB của máy tính sang UART để nạp chƣơng trình cho ESP8266. UART (Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter) là bộ truyền nhận nối tiếp không đồng bộ. Khái niệm UART dùng để chỉ thiết bị phần cứng (hardware), không phải chuẩn giao tiếp. UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đ i mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nhƣ chuẩn RS232 (máy tính sẽ sử dụng c ng COM để truyền nhận dữ liệu bằng UART thông qua chuẩn RS232). UART thƣờng dùng để truyền nhận dữ liệu giữa 2 hay nhiều thiết bị khác nhau (có thể là giữa vi điều khiển với vi điều khiển, giữa vi điều khiển với máy tính, vi điều khiển với module sim,…). Ở kiểu truyền nối tiếp bất đồng bộ bao gồm 1 đƣờng truyền dữ liệu và 1 đƣờng nhận dữ liệu, không có tín hiệu xung clock nên gọi là bất đồng bộ. Để có thể truyền nhận dữ liệu, yêu cầu cả bên truyền và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số, gọi là tốc độ truyền dữ liệu (baud). Các thông số cơ bản trong việc truyền nhận UART: Baund rate (tốc độ baud): số bit đƣợc truyền trong 1 giây. Thông số này phải đƣợc cài đặt giống nhau ở thiết bị truyền và nhận. Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền. Start bit: là bit đầu tiên đƣợc truyền trong 1 frame. Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đƣợc truyền đến. Bit này là bit bắt buộc phải có. Data: dữ liệu cần truyền. Bit có trọng số nhỏ nhất (LSB) đƣợc truyền trƣớc, sau đó đến bit có trọng số lớn nhất (MSB). Parity bit: là bit dùng để báo hiệu số lƣợng bit có giá trị bằng 1 (hệ nhị phân) trong một nhóm bit cho trƣớc là một số chẵn hay số lẻ. Sử dụng parity bit là cách phát hiện lỗi đơn giản nhất. Stop bit: là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng gói dữ liệu đã gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính chính xác của dữ liệu. Bit này là bit bắt buộc phải có. Các máy tính ngày nay, không hỗ trợ c ng COM, vì thế để máy tính có thể truyền nhận dữ liệu bằng UART, ta cần phải chuyển giao tiếp USB của máy tính sang UART.
• 30. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 17 Để thiết kế mạch nạp cho ESP8266, ta cần phải sử dụng IC chuyển đ i USB- UART. Trên thị trƣờng hiện nay, có khá nhiều IC hỗ trợ công việc này nhƣ: FT232, PL2303, CP2102, CH340G,… FT232 đƣợc đánh giá cao về tính năng lẫn độ n định nhƣng giá thành lại cao. IC đã đƣợc tính hợp hầu hết các linh kiện cần thiết nên việc thiết kế mạch sẽ đơn giản hơn. Hình 2.10: IC FT232. CP2102 có tính năng tƣơng đƣơng FT232, giá thành thấp hơn FT232 một chút. Nhƣng do cách đóng gói IC ở dạng QFN (chân gầm) nên gây khó khăn trong việc hàn thủ công. Hình 2.11: IC CP2102. PL2303 có giá thành tƣơng đối thấp, tuy nhiên khi thiết kế cần phải thiết kế thêm nguồn xung. Hình 2.12: IC PL-2303.
• 31. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 18 CH340G có giá thành thấp hơn cả PL2303, IC đóng gói chân dạng SO nên việc hàn thủ công không gặp nhiều khó khăn. Hình 2.13: IC CH340G. Nhóm quyết định chọn CH340G vì các đặc tính, yêu cầu phù hợp với đề tài và giá thành thấp. Đặc điểm của CH340G:  Tốc độ của thiết bị phù hợp với đặc điểm của USB phiên bản 2.0.  Giao diện nối tiếp theo hai chiều, thiết lập bộ thu phát đệm các tín hiệu, hỗ trợ tốc độ truyền thông tin liên lạc khác nhau từ 50bps đến 2Mbps.  Hỗ trợ tín hiệu MODEM thông thƣờng nhƣ RTS DTR, DCD, RI, DSR và CTS.  Có thể b sung thêm thiết bị chuyển đ i nhƣ RS232, RS485, RS422,…  Hỗ trợ hoàn toàn các c ng giao tiếp hồng ngoại IrDA SIR và tốc độ truyền tín hiệu từ 2400 bps đến 11520 bps.  Thông qua USB chuyển đ i giao tiếp nối tiếp, CH340G chỉ phù hợp ở mức tƣơng đối với các chƣơng trình ứng dụng.  Hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển ở 2 mức điện áp 5V và 3,3V. 2.2.4 Mạch nguồn Để mô hình có thể hoạt động, buộc phải nguồn cấp cho các mạch. Mạch nguồn đóng vai trò quan trọng trong mô hình. Để cấp nguồn cho mô hình, nhóm sử dụng nguồn 220VAC cho qua cầu diode để chỉnh lƣu thành nguồn DC, tiếp đến cho qua mạch hạ áp dùng IC LNK3206G để hạ xuống thành 12VDC, sau đó cho 12VDC cho
• 32. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19 qua tiếp mạch hạ áp dùng IC MC34063 để hạ xuống còn 3,3VDC để cấp cho mạch cảm ứng điện dung và mạch xử lý trung tâm. a. IC nguồn LNK3206G [10] Hình 2.14: IC nguồn LNK3206G. Từ 220VAC qua cầu diode, chỉnh lƣu thành nguồn DC để hạ xuống thành 12VDC, thì cần phải sử dụng IC n áp có dãy điện áp đầu vào lớn. LNK3206G đáp ứng đƣợc các yêu cầu trên. Thông số kỹ thuật:  Dãy điện áp đầu vào rộng từ 85 ~ 265VDC.  Dòng ngõ ra tối đa 360mA.  Tần số đóng cắt 66 kHz.  Nhiệt độ khi hoạt động: - 40o C ~ 150o C.  Điện áp đầu ra có thể điều chỉnh, tối là 50V, tối đa hoá liên tục nguồn ra.  Giảm nhiễu EMI.  Ứng dụng trong các mạch chuyển đ i DC – DC: buck, buck-boost và flyback.
• 33. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20 Hình 2.15: Sơ đồ khối chức năng của LNK3206G. Hình 2.16: Sơ đồ chân của LNK3206G. Chức năng các chân của LNK3206G:  Chân D (DRAIN): chân này sẽ nối với nguồn cấp cho MOSFET bên trong IC. Cung cấp dòng để khởi động và n định trạng thái khi hoạt động.  Chân BP/M (BYPASS): chân BP/M có nhiều chức năng, chân này nối với một tụ bypass để bên trong IC tạo ra một nguồn 5V. Chân này có thể quyết giới hạn dòng ngõ ra, giới hạn của dòng phụ thuộc vào điện dung của tụ đƣợc thêm vào. Chân BP/M còn có chức năng bảo vệ quá áp đầu ra với các mạch điện bên ngoài.
• 34. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21  Chân FB (FEEDBACK): trong quá trình hoạt động, chuyển mạch của MOSFET đƣợc điều khiển bởi chân FB, việc chuyển mạch bị chấm dứt khi có một dòng điện lớn hơn IFB (49µA) đƣợc đƣa vào chân FB.  Chân S (SOURCE): chân này sẽ nối với nguồn cấp cho MOSFET bên trong IC, đây c ng là chân mass cho các chân BP/M và chân FB. b. IC nguồn MC34063 [11] MC34063 là IC nguồn điều khiển PWM đa năng với dòng ra trực tiếp có thể lên tới 1,5A. Với cấu trúc của MC34063, có thể thiết kế thành các mạch nguồn DC-DC không cách ly thông dụng nhƣ: mạch buck, mạch boost. . Hình 2.17: IC MC34063. Thông số kỹ thuật:  Điện áp đầu vào từ 3 ~ 40V.  Điện áp đầu ra từ 1,25 ~ 40V.  Tần số đóng cắt từ 80 ~ 100 kHz.  Dòng ngõ ra tối đa 1,5A.
• 35. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22 Hình 2.18: Sơ đồ chân của MC34063. Hình 2.19: Sơ đồ khối chức năng của MC34063. Cấu trúc của MC34063 gồm: Khối tạo xung vuông. Khối tạo dao động. Khối so sánh điện áp với mức áp mẫu 1,25V. Với các đặc điểm trên, phù hợp với yêu cầu của đề tài, nên nhóm quyết định sử dụng MC34063 để xây dựng mạch nguồn cho các khối trong mô hình.
• 36. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 2.3 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM Khi ngƣời dùng chạm vào bề mặt phím cảm ứng điện dung của mô hình, tín hiệu điều khiển đƣợc đƣa tới bộ xử lý trung tâm, sau đó bộ xử lý trung tâm gửi tín hiệu điều khiển đến mạch công suất, cho phép đóng tắt thiết bị tƣơng ứng. Tiếp theo gửi dữ liệu chứa trạng thái của thiết bị lên server thông qua Internet, cụ thể là mạng wifi. Server sẽ tiếp nhận dữ liệu vừa gửi tới, kế đến tiến hành xử lý và lƣu dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. Cập nhật trạng thái hiện tại của thiết bị trên web. Khi ngƣời dùng tác động vào web, server sẽ gửi dữ liệu điều khiển về bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm nhận dữ liệu, sau đó tiến hành tác động để đóng mở thiết bị tƣơng ứng và đồng thời server sẽ cập nhật trạng thái của thiết bị vừa đƣợc tác động. Để có thể lƣu đƣợc trạng thái của thiết bị trên web, ta cần xây dựng web server, cơ sở dữ liệu và hiểu đƣợc giao thức truyền dữ liệu từ bộ xử lý trung tâm lên web server. 2.3.1 Web server a. Khái niệm [12] Web server có thể là phần cứng hoặc phần mềm, hoặc cả hai. Ở khía cạnh phần cứng, web server là một máy tính lƣu trữ các file thành phần của một website (các tài liệu, hình ảnh,…) và có thể phân phát chúng tới thiết bị của ngƣời dùng. Web server kết nối tới Internet và có thể truy cập tới thông qua một tên miền. Ở khía cạnh phần mềm, web server điều khiển ngƣời sử dụng web truy cập tới các file đƣợc lƣu trữ trên một HTTP server (máy chủ HTTP). HTTP server là một phần mềm hiểu đƣợc các địa chỉ web (URL) và giao thức trình duyệt web (HTTP). b. Cách giao tiếp với Web server [12] Khi một trình duyệt cần một file lƣu trữ trên một web server, trình duyệt sẽ yêu cầu (request) file đó thông qua HTTP. Khi một yêu cầu gửi tới đúng web server (phần cứng), HTTP server (phần mềm) sẽ gửi file đƣợc yêu cầu c ng thông qua HTTP.
• 37. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 Hình 2.20: Cách thức giao tiếp với web server. Web server hỗ trợ giao thức HTTP (Giao thức truyền phát siêu văn bản). HTTP là cách truyền các siêu văn bản giữa hai máy tính. HTTP cung cấp các quy tắc rõ ràng, về cách client và server giao tiếp với nhau: Chỉ client có thể tạo ra các HTTP request tới các server. Các server chỉ có thể phản hồi HTTP request của client. Khi yêu cầu một file thông qua HTTP, client phải cung cấp URL của file đó. Web server phải trả lời mọi HTTP request. Trên web server, HTTP server chịu trách nhiệm xử lý và trả lời các request đã đƣợc client gửi đến:  Khi nhận một request, HTTP server sẽ kiểm tra xem URL đƣợc yêu cầu có khớp với một file hiện có không.  Nếu có, web server gửi nội dung file trả lại client. Nếu không, một application server sẽ tạo ra file cần thiết.  Nếu không thể xử lý, web server trả lại một thông điệp lỗi cho client. 2.3.2 Cơ sở dữ liệu a. Khái niệm [13] Cơ sở dữ liệu là một hệ thống các thông tin có cấu trúc, đƣợc lƣu trữ trên các thiết bị lƣu trữ nhằm thoả mản yêu cầu khai thác thông tin đồng thời của nhiều ngƣời sử dụng hay nhiều chƣơng trình ứng dụng chạy cùng lúc với những mục đích khác nhau.
• 38. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25 b. Phân loại cơ sở dữ liệu [14] Cơ sở dữ liệu dạng file: dữ liệu đƣợc lƣu trữ dƣới dạng các file có thể là text, ascii,… Cơ sở dữ liệu quan hệ: dữ liệu đƣợc lƣu trữ trong các bảng dữ liệu gọi là các thực thể, giữa các thực thể này có mối liên hệ với nhau. Các hệ quản trị hỗ trợ cơ sở dữ liệu quan hệ nhƣ: MS SQL server, Oracle, MySQL,… Cơ sở dữ liệu hƣớng đối tƣợng: dữ liệu c ng đƣợc lƣu trữ trong các bảng dữ liệu nhƣng các bảng có b sung thêm các tính năng hƣớng đối tƣợng nhƣ lƣu trữ thêm các hành vi, nhằm thể hiện hành vi của đối tƣợng. Các hệ quản trị có hỗ trợ cơ sở dữ liệu hƣớng đối tƣợng: MS SQL server, Oracle, Postgres,… Cơ sở dữ liệu bán cấu trúc: dữ liệu đƣợc lƣu dƣới dạng XML, với định dạng này thông tin mô tả về đối tƣợng thể hiện trong các tag. Cơ sở dữ liệu này có nhiều ƣu điểm do lƣu trữ đƣợc hầu hết các loại dữ liệu khác nhau nên cơ sở dữ liệu bán cấu trúc là hƣớng mới trong nghiên cứu và ứng dụng.
• 39. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 GIỚI THIỆU Mô hình với kích thƣớc nhỏ gọn là mục tiêu mà nhóm hƣớng đến. Vì vậy nhóm sẽ thiết kế mô hình thành 3 bản PCB đƣợc kết nối với nhau thông qua rào cắm, bao gồm các khối sau: Khối nguồn sử dụng nguồn 220VAC để cấp cho thiết bị điện đƣợc điều khiển thông qua mô hình, nguồn 220VAC sẽ đƣợc chỉnh lƣu bằng cầu diode thành nguồn DC. Và đƣợc hạ áp xuống thành 12VDC thông qua IC LNK3206G, tiếp tục cho qua mạch hạ áp sử dụng IC MC34063, hạ xuống thành 3,3VDC cấp cho mạch xử lý trung tâm và mạch cảm ứng điện dung. Khối công suất sử dụng opto MOC3020 và triac BTA12 để điều khiển 4 thiết bị sử dụng nguồn xoay chiều 220VAC. Khối cảm ứng điện dung sử dụng IC AT42QT2120 với 4 phím cảm ứng, để điều khiển 4 thiết bị. Khối xử lý trung tâm, sử dụng ESP8266 module ESP-12F, đóng vai trò là thiết bị kết nối với wifi truyền nhận dữ liệu từ server. Thiết kế mạch nạp cho ESP8266 sử dụng IC CH340G. Một PCB sử dụng IC CH340G để làm mạch nạp cho ESP8266. Một PCB tích hợp khối xử lý trung tâm và khối cảm biến điện dung. Một PCB sử dụng điện áp 220VAC, tích hợp khối nguồn và khối công suất.
• 40. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Server Xử lý trung tâm Cảm ứng điện dung Công suất Nguồn Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống. Khối cảm ứng điện dung: khi ngƣời dùng chạm vào phím cảm ứng, tín hiệu tác động sẽ gửi sang khối xử lý trung tâm. Khối xử lý trung tâm: nhận tín hiệu tác động từ khối cảm ứng điện dung, xử lý sau đó xuất tín hiệu điều khiển thiết bị cho khối công suất thực thi, kế đến gửi dữ liệu lên khối server. Khối xử lý trung tâm có thể nhận dữ liệu yêu cầu điều khiển thiết bị từ server, sau đó gửi tín hiệu đến khối công suất. Để điều khiển thiết bị mà server yêu cầu thông qua sự tác động của ngƣời dùng. Khối công suất: nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, để điều khiển thiết bị. Khối server: nhận dữ liệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm, tiến hành lƣu trạng thái của thiết bị vào cơ sở dữ liệu. Để ngƣời dùng có thể truy cập, biết đƣợc lịch sử đóng tắt của thiết bị. Ngƣời dùng có thể sử dụng web server, tác động và điều khiển thiết bị theo nhƣ mong muốn. Khi tác động thì server sẽ tiến hành gửi dữ liệu điều
• 41. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28 khiển xuống khối xử lý trung tâm, khối xử lý trung tâm nhận đƣợc dữ liệu sẽ truyền dữ liệu điều khiển thiết bị tƣơng ứng sang khối công suất để tiến hành đóng tắt thiết bị. 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch a. Thiết kế khối cảm ứng điện dung Sử dụng IC AT42QT2120, khi ngƣời dùng chạm vào 4 lớp đồng kết nối với 4 chân KEY, từ KEY2 đến KEY5. 4 chân này sẽ nhận tín hiệu và sẽ xuất ra các tín hiệu tƣơng ứng với 4 chân OUT, từ OUT2 đến OUT5, tín hiệu của các chân này sẽ đƣa đến 4 chân GPIO của ESP8266. Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối cảm ứng điện dung. Điện trở R23 = 60kΩ đƣợc nối chân reset và đƣa lên nguồn, để IC cảm ứng điện dung có thể hoạt động mà không bị reset, giá trị của trở R23 đƣợc sử dụng theo yêu cầu của nhà sản xuất. Tụ C6 = 100nF, dùng để lọc nhiễu nguồn cấp cho IC cảm ứng điện dung, giá trị của tụ C6 đƣợc tham khảo yêu cầu của nhà sản xuất. Các led D9, D10, D11, D12 dùng để báo hiệu khi ngƣời dùng chạm vào nút cảm ứng điện dung, led sẽ sáng giữ trong giây lát sau khi ngƣời dùng chạm vào. Các trở R10, R14, R18, R20 dùng để hạn dòng cho các led D9, D10, D11, D12. Các trở R24, R26, R49, R50
• 42. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29 đƣợc nhà sản xuất yêu cầu sử dụng với giá trị từ 4,7kΩ ~ 20kΩ với mục đích để chống nhiễu cho các nút cảm ứng, ở đây nhóm sử dụng các điện trở trên với giá trị là 4,7kΩ. Các tụ C7, C13, C14, C16 các tác dụng điều chỉnh độ nhạy của nút cảm ứng. Qua quá trình thử nghiệm, với giá trị của các tụ trên là 10nF, sẽ tạo ra độ nhạy phù hợp khi sử dụng.
• 43. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30 b. Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm sử dụng ESP8266 phiên bản ESP-12F. Khối này đƣợc chia nhỏ thành các mạch sau: Mạch ESP-12: ESP8266 làm bộ xử lý trung tâm, với 1 tụ lọc nguồn 1000uF trƣớc ngõ vào giúp mạch hoạt động n định hơn. Khi ESP khởi động, dòng khởi động có thể lên tới Imax = 300mA, do đó tụ còn có tác dụng là tránh sốc điện lúc ESP khởi động. Tụ 470pF dùng để chống nhiễu cho nút reset. Một số chân GPIO đƣợc nối trở kéo lên hoặc kéo xuống là để giúp ESP hoạt động n định. Hình 3.3: Sơ đồ khối của mạch ESP-12. Các giá trị thông số của các điện trở và tụ trên mạch ESP-12, đƣợc tham khảo theo sơ đồ nguyên lý của module “NodeMCU ESP12” [1i].
• 44. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31 Mạch reset dùng để reset toàn mạch. Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của mạch reset. Mạch nguồn cho ESP khi ESP sử dụng nguồn từ c ng USB máy tính: ESP hoạt động ở mức điện áp 3,3V (dãy điện áp có thể hoạt động là từ 2,5 ~ 3,6VDC). Vì vậy cần có mạch hạ áp từ nguồn 5V (của c ng USB) về 3,3V sử dụng IC nguồn AMS1117– 3,3V. Mạch sử dụng 2 tụ 10uF dùng để lọc ở đầu vào và cả đầu ra, giúp ESP hoạt động n định. Mục đích của mạch nguồn này, là dùng để cấp nguồn cho ESP8266 khi ta tiến hành nạp chƣơng trình từ máy tính cho ESP thông qua c ng USB. Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn sử dụng nguồn từ c ng USB. Mạch nạp cho ESP từ c ng USB: mạch này đƣợc xây dựng dùng để nạp chƣơng cho ESP thông qua c ng USB của máy tính. Chế độ nạp đƣợc sử dụng ở mạch này là chế độ nạp thông qua UART.
• 45. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho ESP. Mạch nạp sử dụng CH340G, sử dụng nguồn 5V từ c ng USB của máy tính, 2 tụ C21, C22 có tác dụng lọc nhiễu cho CH340G, thạch anh 12MHz dùng để cấp xung clock cho CH340G. Kết nối các chân DTR, RTS của CH340G với transistor J3Y để tạo nên mạch tự động chuyển chế độ cho ESP giữa trạng thái chạy chƣơng trình chính và trạng thái nạp chƣơng trình cho ESP. Bảng 3.1: Trạng thái chuyển mạch tự động DTR RTS RST GPIO0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 Các giá trị thông số của linh kiện trên mạch nạp cho ESP, đƣợc tham khảo theo sơ đồ nguyên lý của module “NodeMCU ESP12” [1i]. Mạch điều khiển: các chân GPIO dùng để xuất các tín hiệu, các led đơn dùng để hiển thị trạng thái cho các chân output dùng làm tín hiệu điều khiển cho mạch công suất. Các trở R59, R60, R63, R64 dùng để hạn dòng cho các led D2, D4, D6, D8.
• 46. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển GPIO.
• 47. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34 Sơ đồ của khối xử lý trung tâm Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm.
• 48. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 c. Thiết kế khối công suất Khối công suất nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm, để điều khiển các thiết bị điện trong nhà. Mạch dùng opto kết hợp với triac công suất. Để lựa chọn linh kiện phù hợp, ta tiến hành khảo sát công suất tiêu thụ các thiết bị trong gia đình Bảng 3.2: Liệt kê công suất tiêu thụ của một số thiết bị điện gia dụng STT Tên thiết bị Công suất thiết bị 1 Tivi LED Sony 32 inches 69W 2 Tủ lạnh Panasonic NR-BJ176 152 lít 97 - 130W 3 Máy giặt Toshiba AW-E920LV 8,2Kg 410W 4 Bóng đèn huỳnh quang 1,2m 36W 5 Bóng đèn huýnh quang 0,6m 18W 6 Sạc Laptop 65-85W 7 Màn hình vi tính LCD-17 inches 35W 8 Quạt 55W 9 Máy lạnh 1,5 HP 1200W 10 Quạt thông gió 25W 11 Điện thoại bàn 9W 12 Thiết bị mạng modem 10W 13 Máy tính xách tay 160W 14 Cục sạc iPhone 5W 15 Quạt bàn FUNA 67W 16 Cục sạc Laptop DELL 65W 17 Loa SoundMax 2.1 18W 18 Loa Karaoke JBL RM 10 II 50-400W 19 Đầu DVD ARIRANG AR3600 30W 20 Ampli FUJIYAMA DA-3600N 240W 21 Quạt đứng Asia Vina D16011 55W 22 Nồi cơm SHARP KSH-317V 600W 23 Đèn sợi đốt Rạng Đông 25-60W
• 49. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 24 Camera hồng ngoại 15W Dựa vào bảng trên ta có thể thấy máy lạnh là thiết bị có công suất cao nhất 1200W. Với điện áp sử dụng trong hộ gia đình từ lƣới điện 220VAC. Ta có công thức tính dòng hiệu dụng nhƣ sau: Ihd = P/Uhd = 1200/220 = 5,45A. Nhƣ vậy dòng tải thiết bị cao nhất gần 6A, lựa chọn triac có dòng định mức lớn hơn 6A, điện áp ngƣợc chịu trên 220VAC là phù hợp. Opto có áp đầu ra bên phần detector cần lớn hơn 220VAC, cần quan tâm tới áp và dòng kích của opto. Do khối xử lý trung dùng ESP-12F, điện áp các chân ngõ ra khoảng 3,3V cùng với dòng xuất ra mỗi chân chỉ tối đa là 12mA. Lựa chọn triac cần chú ý tới các thông số:  Dòng điện định mức (Ist > 1,25Itd).  Điện áp ngƣợc lớn nhất mà triac chịu đƣợc khi ngƣng dẫn.  Dòng điều khiển Ig (mA).  Nhiệt độ hoạt động. Triac BTA12 có dòng định mức là 12A, điện áp ngƣợc chịu đƣợc là 600V. Opto MOC3020 có áp đầu ra chịu đƣợc tối đa là 400V, điện áp để kích opto tối thiểu là 3V, dòng kích tối thiểu là 10mA. Nhƣ vậy triac BTA12 và opto MOC3020 đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài.
• 50. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý của khối công suất. Các trở R7, R13, R19, R25 dùng để hạn dòng cho photodiode của MOC3020. Điện áp của các chân output của ESP8266 là 3,3V, lựa chọn trở hạn dòng là photodiode là 220Ω. Nên dòng kích cho opto là IFT = 3,3/220 = 15mA, thoả yêu cầu để kích cho opto. Các trở R11, R15, R21, R27 để hạn dòng vào triac bên trong MOC3020. Dòng vào tối đa của triac bên trong MOC3020 là 1A, lựa chọn trở hạn dòng vào là 330Ω. Điện áp đặt vào sẽ là điện áp của thiết bị cần điều khiển là 220VAC. Nên dòng vào triac bên trong MOC3020 là 220/330 ≈ 667mA, thoả yêu cầu mà nhà sản xuất đặt ra. Mạch RC (R6 và C3, R8 và C5, R9 và C8, R17 và C15) có tác dụng chống nhiễu, chống hiện tƣợng tự kích với tải cảm, tải có công suất lớn c ng nhƣ nguồn đang sử dụng có tải cảm tham gia. Giá trị điện trở và điện dung của mạch RC đƣợc tham khảo theo datasheet của MOC3020 [2i]. Các trở R12, R16, R22, R28 dùng để tạo xung kích chuẩn cho triac BTA12. L và N là đầu dây 220VAC đƣa vào công tắc, OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 kết nối với các thiết bị sử dụng nguồn 220VAC. Các chân D1, D2, D3, D4 nhận tín hiệu từ các chân GPIO của ESP.
• 51. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 Trên thực tế, mạch công suất chỉ hoạt động n định với công suất 1000W trở xuống, xấp xỉ 220VAC, dòng < 5A. Do kích thƣớc, bố trí c ng nhƣ khả năng tản nhiệt mạch. d. Thiết kế khối nguồn Mô hình sử dụng nguồn 220VAC, mạch nguồn cần đƣợc chuyển về điện áp DC để cấp cho các mạch điện khác trong mô hình hoạt động. Bảng 3.3: Thông số điện áp và dòng tiêu thụ của các linh kiện trong mô hình Linh kiện VCC (V) Iđm (mA) ESP8266 3,3 300 IC AT42QT2120 3,3 0,55mA 4 Led nối với 4 nút cảm ứng 3,3 80mA T ng dòng tiêu thụ sơ bộ là 381mA. Các linh kiện sử dụng điện áp 3,3V, vì vậy ta cần phải thiết kế bộ nguồn 220VAC hạ áp thành 3,3V – 500mA là phù hợp. Phƣơng án thiết kế nguồn của nhóm nhƣ sau: Điện áp 220VAC sẽ đƣợc chỉnh lƣu thành nguồn DC, rồi đƣợc hạ xuống thành 12VDC thông qua IC LNK3206G. Theo nhƣ tài liệu hƣớng dẫn thiết kế của nhà sản xuất [3i], khi dùng LNK3206G xây dựng mạch hạ áp xuống thành 12VDC thì dòng ngõ ra của mạch tối đa là 225mA. Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý của mạch 220VAC – 12VDC. Công suất của mạch đƣợc thiết kế sẽ là P = 12 x 0,225 = 2,7W. Với P > 1W, theo tài liệu của nhà sản xuất, giá trị của R34 đƣợc khuyên dùng là 8,2Ω, 1W. Lựa chọn giá trị R34 là 10Ω, 2W là tƣơng đối đạt yêu cầu. R34 sẽ đóng vai trò bảo vệ mạch. Cầu diode MB6S dùng để chỉnh lƣu nguồn 220VAC thành nguồn AC, điện áp tối đa đặt
• 52. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 vào MB6S là 600VAC. Nên việc chọn MB6S là phù hợp. Cuộn cảm L1 và 2 tụ C2, C10 sẽ tạo thành bộ lọc nhiễu EMI, giá trị của L1 đƣợc khuyến nghị là từ 470uH ~ 2,2mH, C2 và C1 là từ 2uF trở lên. Chọn L1 = 1mH, C2 = C1 = 3,3uF là hợp lý. Tụ C20 dùng với giá trị 100nF, để dòng ngõ ra đạt tối đa có thể. Diode D1 phải là diode có thời gian phục hồi ngƣợc nhanh, theo yêu cầu của nhà sản xuất thì thời gian phục tRR ≤ 35ns, với diode D1 là diode STTH1R06, tRrmax = 25ns, đáp ứng đúng yêu cầu của nhà sản xuất. Tụ C25 có chức năng hạn chế điện áp gợn đầu ra. Điện trở R4 dùng để giảm công suất đầu vào không tải và tăng hiệu suất với điều kiện có tải. Điện áp rơi trên D1 và D3 là nhƣ nhau. Cuộn cảm L9 đóng vai trò không thể thiếu trong mạch buck. Điện áp trên C1 đƣợc quyết định bởi cặp trở R2 và R6, các giá trị của R2 và R6 đƣợc chọn sao cho điện áp đầu ra tại chân FB là 2V. Điện trở R5 sẽ đóng vai trò tải trong trƣờng hợp chƣa có tải nối với các chân điện áp ngõ ra 12V. Điện áp 12VDC sẽ đƣợc hạ áp xuống thành 3,3VDC thông qua IC MC34063. Nguồn 3,3VDC sẽ đƣợc cấp cho các mạch điện trong mô hình hoạt động. Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch 12VDC-3,3VDC.
• 53. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 Tụ C26 = 100uF dùng để lọc nguồn đầu vào cấp cho MC34063, điện trở R32 = 0,15Ω để giới hạn dòng điện tải ở ngõ ra. C18 = 150pF dùng để quyết định tần số của mạch dao động. Cuộn cảm L11 dùng để n dòng. Diode D5 dùng để lấy dòng chứa trong cuộn dây L cấp cho tải khi xung ở chu ngắt. Tụ C18, cuộn dây L11 và tụ C28 = 100uF tăng mức n định cho điện áp ngõ ra. Tín hiệu hồi tiếp trả về qua cầu phân áp R30 và R31. Điện trở R31, R30 có tác dụng điều chỉnh điện áp ngõ ra. Vo = 1,25 x (1+ R31/R30) ≈ 3,3V.
• 54. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 GIỚI THIỆU Mô hình chia làm 2 phần thi công: phần cứng và phần mềm. Phần cứng gồm: Thi công 2 PCB kích thƣớc 40mm x 69mm, 1 PCB kích thƣớc 40mm x 20mm. Mỗi PCB đều đƣợc gia công 2 lớp (Top và Bottom). Sắp xếp linh kiện và đi dây hợp lý. Mạch đã đƣợc thi công hoàn tất. Thi công hộp đựng mô hình phù hợp với board mạch. Đã hoàn thành, board mạch đƣợc đặt cố định trong hộp. Kích thƣớc hộp là 74x45x40mm. Kiểm tra thiết bị: diễn ra xuyên suốt trong quá trình thi công, với 2 lần thi công phần cứng và 2 lần thiết kế hộp. Sản phẩm cuối c ng đã đạt gần 90% yêu cầu đề ra. Phần mềm gồm: Lập trình cho ESP8266 xử lý yêu cầu của ngƣời dùng, điều khiển đóng tắt thiết bị và truyền nhận dữ liệu từ server. Đã hoàn thành cơ bản, thời gian đáp ứng tƣơng đối nhanh. Xây dựng server, cơ sở dữ liệu, giao diện web. Đã hoàn thành cơ bản, server hoạt động n định, xây dựng cơ sở dữ liệu cơ bản, giao diện web đúng nhƣ yêu cầu đề ra. Mô hình đã hoàn thành đƣợc yêu cầu đề ra, đã kết nối truyền nhận dữ liệu với server, có thể lƣu trạng thái đóng tắt các thiết bị trên web, có giao diện quản lý trên web. Hệ thống hoạt động đáp ứng cơ bản, vẫn còn nhiễu ở phần cứng, cấu trúc cơ sở dữ liệu chƣa tối ƣu. 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1 Thi công board mạch Thi công board mạch gồm 3 PCB. Một PCB chứa mạch nguồn và mạch công suất, có 2 đầu vào của dây 220VAC, có 4 dây ra nối các thiết bị sử dụng điện 220VAC, có rào để kết nối với PCB thứ 2, gồm 4 chân tín hiệu nhận dữ liệu điều khiển từ ESP và 2 chân nguồn 3,3VDC. PCB thứ 3 chứa mạch nạp chƣơng trình cho ESP, đƣợc kết nối PCB thứ 2.
• 55. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 Hình 4.1: Ảnh thực tế board mạch của mô hình. PCB thứ 3 là mạch nạp chƣơng trình, chỉ sử dụng khi cần nạp chƣơng trình mới vào ESP. Khi mô hình hoạt động, thì không cần kết nối PCB thứ 3. Mạch in của PCB thứ 1: Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 1.
• 56. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43 Hình 4.3: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 1. Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 1.
• 57. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44 Hình 4.5: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 1. Hình 4.6: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 1.
• 58. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45 Mạch in của PCB thứ 2: Hình 4.7: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 2. Hình 4.8: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 2.
• 59. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46 Hình 4.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 2. Hình 4.10: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 2.
• 60. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47 Hình 4.11: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 2. Mạch in của PCB thứ 3: Hình 4.12: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 3.
• 61. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48 Hình 4.13: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 3. Hình 4.14: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 3. Hình 4.15: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 3.
• 62. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49 Hình 4.16: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 3. Bảng 4.1: Danh sách linh kiện STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích 1 Điện trở 0,15 , 1/8W R0805 Sai số 1% 2 Điện trở 1,2 k , 1/8W R0603 Sai số 1% 3 Điện trở 10 , 2W R0603 Sai số 1% 4 Điện trở 11,8 k , 1/8W R0805 Sai số 1% 5 Điện trở 12 k , 1/8W R0805 Sai số 1% 6 Điện trở 1 k , 1/8W R0603 Sai số 1% 7 Điện trở 2,49 k , 1/8W R0805 Sai số 1% 8 Điện trở 220 , 1/8W R0805 Sai số 1% 9 Điện trở 26,7 k , 1/8W R0805 Sai số 1% 10 Điện trở 2 k , 1/8W R0603 Sai số 1% 11 Điện trở 3,3 k , 1/8W R0805 Sai số 1% 12 Điện trở 330, 1/8W M1206 Sai số 1% 13 Điện trở 39, 1/8W R0805 Sai số 1% 14 Điện trở 4,7 k , 1/8W R06030 Sai số 1% 15 Điện trở 470 , 1/8W R0805 Sai số 1% 16 Điện trở 60 k , 1/8W R0603 Sai số 1% 17 Cuộn cảm 1,2 mH, 3A R0603 18 Cuộn cảm 100 uH, 3A 0912 19 Cuộn cảm 1 mH, 3A 0912
• 63. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50 20 Tụ điện 100 nF, 50V C0805 21 Tụ điện 100 uF, 50V C/6032 22 Tụ điện 10 nF, 25V C0603 23 Tụ điện 10 uF, 25V C0805 24 Tụ điện 150 pF, 50V C0603 25 Tụ điện 3,3 uF, 400V E5-10,5 26 Tụ điện 470pF, 16V C0603 27 Thạch anh 12 MHz HC49/S 28 Hàng rào đực 5x2 DIP 29 Hàng rào cái 5x2 DIP 30 Hàng rào đực 3x2 DIP 31 Hàng rào cái 3x2 DIP 32 Nút nhấn 2 chân 12VDC, 50mA SMD 33 IC AMS117 3,3V SOT223 IC n áp 34 IC AT42QT2120 QT2120 IC cảm ứng điện dung 35 Triac BTA12 12A, 600V TO220BV 36 Led đơn màu đỏ 3,3V, 10mA SML0805 37 IC CH340G SOIC16 IC chuyển USB- UART 38 ESP8266 12-F ESP12 Module wifi 39 Cầu chì 7A SHK20L 40 Transistor J3Y 40V, 0.5A SOT23 41 IC LNK3206G 225mA SMD IC n áp 42 Diode M7 1000V, 1A DO- 214AC 43 Cầu diode MB6S 600V, 0.5A SOIC-4 44 IC MC34063 1,5A SOIC-8 IC n áp 45 USB Mini Type-B 32005-201 C ng USB 46 Opto MOC3020 400V DIL06
• 64. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51 47 Diode MRA4007 1000V, 1A DO- 214AC 48 Diode SS14 40V, 1A DO- 214BA 49 Diode STTH1R06 600V, 1A DO- 214AC 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra a. Lắp ráp mạch nguồn Hình 4.17: Mặt trên khối nguồn.
• 65. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52 Hình 4.18: Mặt dƣới khối nguồn. Kích thƣớc module nguồn vào khoảng 40x40mm. Sử dụng mạch in 2 lớp, lớp trên đặt các linh kiện xuyên lỗ, lớp dƣới đặt các linh kiện dán. Kiểm tra khối nguồn bằng các đƣa dây 220VAC vào L và N. Kiểm tra ngõ ra (GND – 3,3V) nếu đạt 3,3V +- 5% thì đạt yêu cầu về áp, dùng trở công suất kiểm tra khả năng chịu dòng của nguồn, nếu dòng khoảng 400 ~ 500mA mà áp ra 3,3V không thay đ i thì đạt yêu cầu. b. Lắp ráp mạch công suất Mạch công suất gồm 4 MOC3020 và 4 TRIAC BTA12 nhận tín hiệu từ 4 chân 1, 2, 3, 4 ở mặt dƣới và đóng tắt thiết bị tƣơng ứng tại 4 ngõ ra 1, 2, 3, 4 ở mặt trên.
• 66. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53 Hình 4.19: Mặt trên khối công suất. Hình 4.20: Mặt dƣới khối công suất.
• 67. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54 Kiểm tra mạch kết nối dây 220V nguồn và kết nối dây với các thiết bị sử dụng điện 220V. Các đầu dây còn lại của thiết bị nói chung với dây nguội (dây N). Kích các chân tín hiệu 1, 2, 3, 4 xem mạch hoạt động tƣơng ứng không, kiểm tra nhiễu có tác động làm thiết bị tự kích với tải cảm nhƣ quạt... Nếu mạch đóng tắt tốt, không bị tự kích với các loại tải thiết bị thì mạch đạt yêu cầu. c. Lắp ráp mạch xử lý trung tâm và mạch cảm ứng điện dung Hình 4.21: Mặt trên PCB thứ 2.
• 68. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55 Hình 4.22: Mặt dƣới PCB thứ 2. Kiểm tra cấp nguồn 3,3V từ PCB 1, ESP có hoạt động, nạp chƣơng trình cho ESP, ESP có nhận chƣơng trình, kiếm tra KEY nhấn có nhận tín hiệu và có nhạy hay không, nếu có thì mạch đạt yêu cầu.
• 69. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56 d. Lắp ráp mạch nạp chương trình cho ESP Hình 4.23: Mặt trên của mạch nạp USB-UART. Hình 4.24: Mặt dƣới của mạch nạp USB-UART.
• 70. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 Kết nối mạch nạp với PCB thứ 2 (mạch xử lý trung tâm và mạch cảm ứng điện dung). Kết nối với máy tính, xem máy tính có nhận c ng COM hay không, nếu có thì đạt yêu cầu. e. Lắp ráp toàn mạch Hình 4.25: Board công tắc IoT. Khi cho board hoạt động thì không cần gắn mạch nạp, mô hình sẽ trở nên nhỏ gọn hơn. Cấp nguồn và kết nối với thiết bị, kiểm tra t ng thể toàn mạch, hoạt động đúng yêu cầu. 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển Board mạch đƣợc đóng hộp bởi 1 khối mica lắp ghép vào nhau, thiết kế vỏ với kích thƣớc nhỏ gọn để đặt vừa trong đế âm tƣờng. Thiết kế hộp có khoảng trống đƣa dây 220VAC và dây các thiết bị, board mạch n định, có lỗ thông thoát khí, tăng tính tản nhiệt khi board hoạt động.
• 71. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 Hình 4.26: Thiết kế vỏ hộp bằng phần mềm Solidworks. 4.3.2 Thi công mô hình Mô hình gồm 4 công tắc điều khiển 4 bóng đèn nhỏ sử dụng điện áp 220VAC, công tắc đƣợc gắn nhƣ các công tắc thiết bị trong gia đính có đế âm tƣờng. Mô hình là 1 khối mica kích thƣớc 74x45x40cm. Các công tắc và đèn đƣợc gắn ở phía trƣớc, việc đi dây sẽ ở phía sau mô hình. 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 4.4.1 Lƣu đồ giải thuật của Web Server a. Yêu cầu Ngƣời dùng có thể điều khiển đóng tắt, giám sát trạng thái của các thiết bị thông qua web server.
• 72. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59 b. Lưu đồ của web server Bắt đầu User và password đúng? Nút nhấn trên web đƣợc nhấn? Gửi tín hiệu điều khiển xuống ESP Lƣu trạng thái của thiết bị vào cơ sở dữ liệu Đ S S Đ Đ S Chọn phòng cần điều khiển và giám sát ESP gửi trạng thái của thiết bị lên server? Hình 4.27: Lƣu đồ của server. Ngƣời dùng truy cập vào web, đăng nhập đúng user và password. Sau đó chọn phòng cần điều khiển và giám sát. Khi ngƣời dùng nhấn vào nút điều khiển trên web, thì web sẽ gửi tín hiệu điều khiển xuống ESP, thiết bị tƣơng ứng đƣợc điều khiển. Sau đó web lƣu trạng thái của thiết bị vừa đƣợc điều khiển vào cơ sở dữ liệu. Khi ESP gửi trạng thái của thiết bị lên web, web c ng sẽ lƣu trạng thái của thiết bị vào cơ sở dữ liệu.
• 73. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60 4.4.2 Lƣu đồ giải thuật của ESP a. Yêu cầu điều khiển ESP sẽ thực hiện 2 nhiệm vụ: Khi ngƣời dùng tác động vào nút nhấn cảm ứng, thì thiết bị tƣơng ứng sẽ đƣợc bật lên, sau đó gửi dữ liệu trạng thái của thiết bị vừa đƣợc tác động lên server. Khi ngƣời dùng tác động từ web server, để điều khiển thiết bị thì ESP sẽ nhận dữ liệu từ web server. Điều khiển đóng tắt thiết bị mà web server yêu cầu. b. Lưu đồ của ESP Bắt đầu Cấu hình 4 chân ngõ ra và 4 chân ngõ vào Kết nối mạng Kết nối với server Server gửi dữ liệu? Điều khiển thiết bị mà server yêu cầu Nút cảm ứng đƣợc nhấn? Điều khiển thiết bị tƣơng ứng với nút nhấn Gửi trạng thái của thiết bị lên server Đ Đ S S Hình 4.28: Lƣu đồ của ESP. ESP sẽ kết nối với mạng wifi, tiến hành kế nối với server. Sau khi kết nối xong, sẽ thực hiện tuần hoàn. Chờ nếu có dữ liệu từ server gửi xuống, thì sẽ điều khiển thiết
• 74. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61 bị mà server mong muốn. Nếu ngƣời dùng tác động vào nút nhấn, thì ESP sẽ tiến hành gửi tín hiệu sang mạch công suất để điều khiển thiết bị, sau đó tiến hành gửi dữ liệu lên server. Server sẽ lƣu trạng thái của thiết bị. 4.4.3 Phần mềm lập trình cho ESP Để viết chƣơng trình cho ESP8266 Espressif hiện đã hỗ trợ 3 nền tảng SDK (Software Development Kit – Gói phát triển phần mềm) độc lập là: NONOS SDK, RTOS SDK và Arduino. Cả 3 đều có những ƣu điểm riêng phù hợp với từng ứng dụng nhất định. Hiện nay Arduino đang đƣợc sử dụng rộng rãi bởi tính dễ sử dụng, kiến trúc phần mềm tốt và tận dụng đƣợc nhiều thƣ viện cộng đồng. Arduino là một IDE tích hợp sẵn editor, compiler, programmer và đi kèm với nó là các firmware có bootloader, các bộ thƣ viện đƣợc xây dựng sẵn và dễ dàng tích hợp. Ngôn ngữ sử dụng là C/C++. Tất cả đều opensource và đƣợc đóng góp, phát triển hàng ngày bởi cộng đồng. Triết lý thiết kế và sử dụng của Arduino giúp cho ngƣời mới, không chuyên rất dễ tiếp cận, các công ty, hardware dễ dàng tích hợp. Tuy nhiên, với trình biên dịch C/C++ và các thƣ viện chất lƣợng đƣợc xây dựng bên dƣới thì mức độ ph biến ngày càng tăng và hiệu năng thì không hề thua kém các trình biên dịch chuyên nghiệp cho chip khác. Đại diện cho Arduino ban đầu là chip AVR, nhƣng sau này có rất nhiều nhà sản xuất sử dụng các chip khác nhau nhƣ ARM, PIC, STM32 gần đây nhất là ESP8266, ESP32, và RISCV với năng lực phần cứng và phần mềm đi kèm mạnh mẽ hơn nhiều.
• 75. NGHIỆP GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62 Hình 4.29: Phần mềm Arduino. Đặc điểm của Arduino: Arduino che dấu đi sự phức tạp của điện tử bằng các khái niệm đơn giản, che đi sự phức tạp của phần mềm bằng các thủ tục ngắn gọn. Việc setup output cho 1 MCU bằng cách setup thanh ghi rõ ràng phức tạp đến độ ngƣời chuyên c ng phải lật datasheet ra xem, nhƣng với Arduino thì chỉ cần gọi 1 hàm. Bởi vì tính ph biến và dễ dùng, với các thƣ viện đƣợc tích hợp sẵn. Ta chỉ cần quan tâm đến tính năng sản phẩm mà bỏ qua các tiểu tiết (protocol, datasheet …) Nên giúp ngƣời không chuyên dễ dàng tiếp cận và làm ra các sản phẩm tuyệt vời mà không cần phải biết nhiều về điện tử. Chính vì không quan tâm nhiều đến cách thức hoạt động của các Module đi kèm, nên đa phần ngƣời dùng sẽ khó xử lý đƣợc khi có các vấn đề phát sinh ngoài tầm của thƣ viện. Các module prototype làm sẵn cho Arduino có độ bền không cao, mục tiêu đơn giản hóa quá trình làm sản phẩm.