152392351 Dieu Khien Thiet Bi Tan So Ism
Transcript of 152392351 Dieu Khien Thiet Bi Tan So Ism
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kĩ thuật trên tiên tiến, thế giới
chúng ta đã và đang ngày một thay đổi,văn minh và hiên đại hơn. Sự phát triển của
kĩ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự
chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết cho hoạt động
của con người đạt hiệu quả cao.
Điện tử đang trở thành một ngành công nghiệp đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp
ứng những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công nông lâm ngư nghiệp cho đến
các nhu cầu thiết bị trong đời sống hàng ngày
Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuật
điều khiển từ xa. Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa hay
những thiết bị mà con người không thể trực tiếp chạm vào để vận hành điều khiển.
Xuất phát từ ứng dụng quan trọng trên, nhóm đã thiết kế và thi công mạch
điều khiển thiết bị điện trong nhà sử dụng module thu phát sóng vô tuyến trên tần
số ISM nRF24L01.
Để tìm hiểu ứng dụng này, nhóm xin thực hiện đề tài gồm 3 phần sau:
Phần 1: Giới thiệu đề tài.
Phần 2: Lý thuyết tổng quan
Phần 3: Giới thiệu linh kiện sử dụng.
Phần 3: Thiết kế và thi công mạch chức năng.
Phần 4: Kết luận và đánh giá kết quả.
PHẦN 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống không dây điều khiển thiết bị trong nhà
trên tần số ISM.
Yêu cầu đề tài:
Thiết kế thi công phần cứng.
Khoảng cách liên lạc đạt trên 15m.
Có thể điều khiển qua multihop.
Hướng giải quyết đề tài:
Để điều khiển thiết bị qua hệ thống không dây có thể sử dụng hai phương pháp
sau:
1. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR)
Đây là loại điều khiển từ xa có vai trò quan trọng trong hầu hết các thiết bị
gia đình. Một chiếc điều khiển IR sẽ gồm các bộ phận cơ bản nằm trong một
hộp nối cáp kỹ thuật số như sau: Các nút bấm; một bảng mạch tích hợp; các
núm tiếp điểm; đi - ốt phát quang (đèn LED).
Ưu điểm
Rất bền, chi phí rẻ, đơn giản dễ thực hiện.
Khuyết điểm
Tầm hoạt động chỉ 10m.
Do tuân theo tính chất truyền thẳng của ánh sáng nên IR không thể
xuyên qua dc kính,tường hay truyền vòng qua các góc.
Dễ bị nhiễu sóng do ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời,bóng đèn huỳnh
quang,hay bức xạ của con người.
a. Ứng dụng đời sống
Hiện nay, ta sử dụng thiết bị điều khiển IR cho hầu hết các vật dụng
trong nhà như tivi, máy stereo, điều hòa nhiệt độ….
2. Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF)
Là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai trò
quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều khiển IR chỉ dùng trong nhà thì
điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở cửa
gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ xa thậm chí kiểm
soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh…
a. Hoạt động
Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều
khiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại
truyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô
tuyến trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó.
b. Ưu điểm
Truyền xa hơn IR với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới
100m.
Truyền xuyên tường,kính…
c. Khuyết điểm
Bị nhiễu sóng do bên ngoài có rất nhiều các thiết bị máy móc sử dụng
các tần số khác nhau.
Nhận thấy ưu điểm lớn của sóng vô tuyến RF nhóm đã quyết định chọn sóng RF
cho đề tài này.
Lý do:
Điều khiển thiết bị sử dụng sóng RF hoạt động trên băng tần ISM là phương
pháp sử dụng phổ biến nhất hiện nay bởi vì tần số ISM là các băng tần miễn
phí được sử dụng do đó tiết kiệm chi phí.
Sóng RF truyền xa và truyền được trong không gian có vật cản.
Tốc độ truyền nhanh và có thể mở rộng số lượng thiết bị điều khiển.
Có thể điều khiển theo theo kiểu muiltihop ( điều khiển bắt cầu).
Mô hình tổng quát cho đề tài được miêu tả như hình sau:
Hình 2. Mô hình tổng quát hệ thống không dây điều khiển thiết bị trong nhà trên
tần số ISM.
Mô tả:
Để cho hệ thống hoạt động cần có trung tâm “CENTER” để điều khiển và
quản lý trạng thái ON/OFF của các thiết bị ở các nhóm khác nhau.
Như vậy ở vị trí “CENTER” đảm nhiệm việc phát tín hiệu điều khiển. còn
các nhóm thiết bị nhận tín hiệu điều khiển.
CENTER
NHÓM THIẾT BỊ 1
NHÓM THIẾT BỊ 1
NHÓM THIẾT BỊ
2
NHÓM THIẾT BỊ
2
NHÓM THIẾT BỊ 3
NHÓM THIẾT BỊ 3
Nhóm thiết bị 1 và nhóm thiết bị 2 được điều khiển trực tiếp bởi
“CENTER” trong khi đó nhóm thiết bị 3 ở quá xa và “CENTER” không
thể phát tín hiệu đến vì khoảng cách hay vật chắn. Do đó nhóm thiết bị 3
cần phải nhờ nhóm thiết bị 2 làm cầu nối.
Toàn bộ hệ thống trên hoạt động ở băng tần ISM 2.4GHz và sử dụng module
nRF24L01+ để truyền và nhận thông tin ( Chi tiết về module nRF24L01 được đề
cập ở phần sau).
PHẦN 2. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về sóng vô tuyến RF.
Sóng vô tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài
hơn ánh sáng hồng ngoại. Sóng vô tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz, tương
ứng bước sóng từ 100 km tới 1 mm. Giống như các sóng điện từ khác, chúng
truyền với vận tốc ánh sáng. Sóng vô tuyến xuất hiện tự nhiên do sét, hoặc bởi các
đối tượng thiên văn. Sóng vô tuyến do con người tạo nên dùng cho radar, phát
thanh, liên lạc vô tuyến di động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác. Thông
tin vệ tinh, các mạng máy tính và vô số các ứng dụng khác. Các tần số khác nhau
của sóng vô tuyến có đặc tính truyền lan khác nhau trong khí quyển Trái Đất; sóng
dài truyền theo đường cong của Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly
nên có thể truyền rất xa, các bước sóng ngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên
đường nhìn thẳng.
Hình 2.1. Phổ tần số sóng vô tuyến và ứng dụng
Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (subsonic - vài Hz) đến các
tia vũ trụ (10E22 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần.
Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên
và kí hiệu như bảng sau theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR
(Comité Consultatif Internationa des Radiocommunications - International Radio
Consultative Committee)
Bảng 2.1 Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR.
Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies). Có giá trị nằm
trong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo
lường từ xa tần thấp.
Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi
300 Hz ÷ 3 kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn.
Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 3÷ 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng
cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là
thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm).
Các tần số thấp (LF - Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷
300 kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và
hàng không.
Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 300 kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho
phátthanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz). Ngoài ra cũng sử
dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không.
Các tần số cao (HF - High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30
MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều
(two-way) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa,
liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá...v.v.
Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di
động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến
108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến
216 MHz).
Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh
truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các
hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống
vi ba và thông tin vệ tinh.
Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và
thông tin vệ tinh.
Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies). Có giá trị nằm
trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng cho
thông tin vô tuyến.
Các tần số hồng ngoại. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói
chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm
nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học.
Các ánh sáng nhìn thấy. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng
trong hệ thống sợi quang.
Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Rất ít sử dụng cho thông tin.
2.2. Các băng tần ISM (Industrial Scientific Medical ).
Đối với mạng cục bộ vô tuyến, FCC quy định về:
Tần số sóng vô tuyến cho phép đối với WLAN (để tránh xung đột với
sóng của các hệ thống truyền thông khác)
Năng lượng (công suất) cho phép
Các thiết bị WLAN nào được hoạt động và 1 số quy định khác kèm theo
Có 3 băng tần ISM “license-free” mà FCC chỉ định đối với mạng cục bộ vô
tuyến sử dụng. Đó là: băng tần 900 MHz, s.4 GHz và 5.8 GHz.Băng tần ISM 900
MHz
Băng tần ISM 900 MHz
Được FCC định nghĩa là một dãy tần số từ 902 MHz đến928 MHz. Băng tần
này còn có thể được định nghĩa dưới dạng dãy tần số 915 MHz± 13 MHz. Tuy
băng tần ISM 900 MHz đã được sử dụng và triển khai cho wireless LAN nhưng
dần dần nó đã bị “từ bỏ” bởi sự lựa chọn những tần số khác có băng thông và thông
lượng truyền dẫn cao hơn. Ngày nay, vẫn còn một số thiết bị wireless sử dụng băng
tần ISM 900 MHz như là: hệ thống wireless camera, điện thoại trong nhà sử dụng
wireless. Các tổ chức sử dụng băng tần ISM 900 MHz trong việc triển khai wireless
LAN nhận thấy rằng họ phải tốn rất nhiều tiền để thay thế những thiết bị wireless
sử dụng băng tần ISM 900 MHz cũ hay là bị trục trặc về kỹ thuật. Một card radio
sử dụng băng tần ISM 900 MHz có giá lên đến hơn $800 mà chỉ có thể truyền dữ
liệu với tốc độ tối đa được khoảng 1Mbps. Trong khi đó, nếu đem so sánh 1 card
wireless sử dụng chuẩn 802.11b có thể hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 11Mbps
chỉ có giá khoảng trên dưới $100. Ngoài ra, việc tìm kiếm những phụ kiện thay thế
tương thích cho các thiết bị sử dụng băng tần ISM 900MHz cũng rất khó khăn.
Băng tần ISM 2.4 GHz
Băng tần này được sử dụng bởi tất cả các thiết bị wireless dựa theo chuẩn
802.11,802.11b và 802.11g và được xem là băng tần được sử dụng khá phổ biến.
FCC định nghĩa ra băng tần ISM 2.4 GHz là dãy tần số từ 2.4000GHz đến
2.5000GHz (hay2.4500 GHz ± 50 MHz). Các thiết bị wireless LAN thực sự chỉ sử
dụng dãy tần số từ 2.4000 GHz đến 2.4835 GHz . Lý do chính cho sự giới hạn này
là do FCC chỉ định nghĩa ra công suất cho phép các thiết bị wireless hoạt động
trong dãy trên trong băng tần ISM 2.4GHz mà thôi.
Băng tần ISM 5.8 GHz
Băng tần này còn được gọi là băng tần ISM 5 GHz. Băng tần ISM 5.8 GHz có
dãy tần số từ 5.725 GHz đến 5.875 GHz và tạo ra băng thông 150 MHz.Băng tần
ISM 5.8 GHz không được chỉ định để sử dụng cho các thiết bị wireless LAN. Nó
chồng chập lên một tần số “license-free” khác đó là tần số Upper UNII 5GHz được
sử dụng cho wireless.
2.3. Các băng tần ISM tại việt nam.
Điều kiện về tần số và các giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện cự
ly ngắn được sử dụng có điều kiện được quy định bởi BỘ THÔNG TIN VÀ
TRUYỀN THÔNG được liệt kê theo bảng sau.
Bảng 2.3 Điều kiện về tần số và các giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện
cự ly ngắn được sử dụng có điều kiện
PHẦN 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG.
1. Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A.
PIC là tên viết tắt của máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent
Computer) do hãng General Instrument đặt tên con vi điều khiển đầu tiên là PIC 1650.
Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này. Cho đến nay, các sản phẩm vi
điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại.
PIC là vi điều khiển với kiến trúc RISC, sử dụng microcode đơn giản đặt trong
ROM, chạy 1 lệnh chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ giao động). Nhờ có EEPROM nên PIC
tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình, có rất nhiều dòng PIC với hàng loạt modun
ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC...), với bộ nhớ chương trình từ 512 word
đến 32K word. PIC 16F877A là dòng Pic phổ biến nhất, đủ mạnh về tính năng, 40 chân,
bộ nhớ đủ lớn cho hầu hết các ứng dụng thông thường.
Cấu trúc tổng quát PIC 16F877A:
8K Flash ROM;
368 bytes RAM;
256 bytes EEPROM;
5 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập;
2 bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2;
1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế tiết kiệm năng
lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài;
2 bộ CCP, Capture/Compare/PWM – tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều
biến xung;
Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode);
Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programing);
Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS;
1 bộ biến đổi tương tự - số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào;
2 bộ so sánh tương tự (Comparator);
1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer);
35 tập lệnh có độ dài 14 bit;
Tần số hoạt động tối đa là 29 MHz;
1 cổng nối tiếp (Serial Port);
15 nguồn ngắt (Interrupt).
o
Sơ đồ chân PIC 16F877A
Hình 3.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A
Hình 3.2 kiến trúc bên trong vi điều khiển PIC16F877A
2. Giới thiệu về Module nRF24L01.
2.1 giới thiệu tổng quan chip nRF24L01.
nRF24L01- module là board mạch thiết kế cho giải pháp truyền dữ liệu không dây,
sử dụng chip thế hệ mới nhất nRF24L01+của hãng Nordic's, bổ sung thêm một số
pipelines, buffers, và chức năng auto-retransmit feature , sử dụng băng tần 2.4GHz, sử
dụng giao thức SPI để giao tiếp. Module này rất lý tưởng cho truyền dữ liệu wireless,
multicast và frequency-hopping communication.
Hình 3.3 Module nRF24L01
Các thông số cơ bản:
Phần phát.
Hoạt động ở giải tần 2.4G trên toàn thế giới
Dòng tiêu thụ thấp 11.3 mA tại công suất phát 0dB Và 12.3mA tại tốc độ nhận 2Mbps.
6 luông dữ liệu.
Có 126 kênh.
Tự động xử lý gói dữ liệu.
Truyền tốc độ cao 1Mbps hoặc 2Mbps.
Công suất phát: Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 0,-6,-12,-18dBm.
Phần thu.
Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu
Kếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)
Nguồn cấp.
Hoạt động từ 1.9-3.6V.
Các chân IO chạy được cả 3.3 lẫn 5V.
Giao tiếp.
4 pin SPI.
Tốc độ tối đa 8Mbps.
3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận
Ứng dụng:
Thiết bị ngoại vi không dây.
Mouse, keyboard, remote.
Tai nghe không dây.
Tay cầm game.
Ngôi nhà thông minh.
Sơ đồ khối cấu trúc nRF24l01
Hình 3.4 sơ đồ khối cấu trúc nRF24L01
Sơ đồ chân:
Hình 3.5. Sơ đồ chân nRF24L01
Chức năng của các chân:
Hình 3.6. chức năng của các chân nRF24L01
Các thanh ghi trong nRF24L01
Địa chỉ
Tên Bit
Giá trị
mặc định
Kiểu Mô tả
00 CONFIG Thanh ghi cấu hình
Reserved 7 0 R/W Không sử dụng
MASK_RX_DR 6 0 R/W
0: cho phép ngắt RX sảy ra trên chân IRQ
1: không cho phép
MASK_TX_DS 5 0 R/W Cho phép ngắt TX
MASK_MAX_RT 4 0 R/W Cho phép ngắt MAX
EN_CRC 3 1 R/W Enable CRC
CRCO 2 0 R/W
Số byte mã hóa
0 : 2 byte
1: 1 byte
PWR_UP 1 0 R/W1: POWER UP, 0:POWER DOWN
PRIM_RX 0 0 R/W RX/TX control -1: PRX, 0: PTX
02 EN_RXADDR Cho phép địa chỉ nhận
Reserved 7:6 00 Không sử dụng
ERX_P5 5 1 R/W Cho phép nhận dữ liệu luồng 5
ERX_P4 4 1 R/W Cho phép nhận dữ liệu luồng 4
ERX_P3 3 1 R/W Cho phép nhận dữ liệu luồng 3
ERX_P2 2 1 R/W Cho phép nhận dữ liệu luồng 2
ERX_P1 1 1 R/W Cho phép nhận dữ liệu luồng 1
ERX_P0 0 1 R/W Cho phép nhận dữ liệu luồng 0
05 RF_CH Chọn kênh truyền
Reserved 7 0 R/W Không sử dụng
6:0 2 R/W Thiết lập tần số cho kênh truyền nhận
06 RF_SETUP Thiết lập truyền nhận
Reserved 7:5 000 R/W Không sử dụng
PLL_LOCK 4 0 R/W Khóa tín hiệu PLL chỉ sử dụng trong thử nghiệm
RF_DR 3 1 R/W “0”: 1 M data rate
“1”: 2M data rate
RF_PWR 2:1 11 R/W Chọn công suất phát
00' – -18dBm
'01' – -12dBm
'10' – -6dBm
'11' – 0dBm
07 STATUS Thanh ghi trạng thái
Reserved 7 0 Không sử dụng
RX_DR 6 0 “0” có dữ liệu mới được nhận
TX_DS 5 0 “0” có dữ liệu mới được truyền
MAX_RT 4 0
RX_P_NO 3:1 111 “111” dữ liệu RX là rỗng
TX_FULL 0 0 “1” bộ nhớ FIFO TX tràn
0A RX_ADDR_P0 39:0 0xE7E7E7E7E7
R/W Địa chỉ nhận pipe0 = 5 byte
10 TX_ADDR 39:0 0xE7E7E
7E7E7
R/W Địa chỉ truyền pipe0 = 5 byte
11 RX_PW_P0 5:0 Độ rộng khung dữ liệu
Sơ đồ kết nối với vi điều khiển
Hình 3.7 sơ đồ kết nối nRF24L01 với vi điều khiển
Cấu trúc một khung truyền nhận dữ liệu:
Hình 3.8 cấu trúc khung truyền nhận dữ liệu
Một khung truyền bao gồm:
Phần mở đầu “Premble” 1 byte dùng để phát hiện chuỗi bit 0 1 hay để thông
báo có dữ liệu được đưa đến các thanh ghi.
Phần địa chỉ “Address” bap gồm 3 đến 5 byte dùng để định địa chỉ thanh ghi.
Phần dữ liệu điều khiển thanh ghi “Packet control” dùng để cấu hình thanh
ghi
Phần data “Payload” tối đa 32 byte là dữ liều truyền nhận
Phần kiểm tra lỗi “CRC” phát hiện lỗi truyền nhận
Điều khiển đa luồng
Một chip nRF24L01 có thể nhận được 6 luồng dữ liệu cùng một lúc như hình
sau:
HÌnh 3.9. Điều khiển đa luồng.
Một Master (PRX) chứa 6 địa chỉ truyền và nhận của 6 Slave.
Mỗi Slave đảm nhiệm một luồng tương ứng với 1 địa chỉa truyền và nhận.
Module gia tiếp với vi điều khiển theo giao thức SPI có dạng sơ đồ timing như hình
sau:
Hình 3.10. Giao tiếp SPI đọc dữ liệu từ module nRF24L01
Hình 3.11. Giao tiếp SPI gửi dữ liệu đến module nRF24L01
2.2. Tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong chip nRF24L01.
Chip nRF24L01 có mức tiêu thụ năng lượng cực kì thấp chỉ với 11.3mA cho
chế độ phát 0 dB ( mức phát cao nhất ) và 11.2mA ở chế độ nhận liên tục 2Mbit.
Để đạc được mức tiêu thụ năng lượng như vậy nhà sản xuất đã đưa ra hai chế
độ làm việc khác nhau. Một là chế độ kích hoạt: toàn bộ chíp hoạt động phục vụ
cho việc truyền nhận dữ liệu. Hai là chế độ chờ: chỉ một vài thành phần hoạt
động như kiểm tra ngắt hoạt động các thành phần còn lại không được cung cấp
nguồn. khi có tín hiệu điều khiển thì được kích hoạt lại. toàn bộ quá trình được
mô tả như hình sau:
Hình 3.12. Chính sách tiết kiệm năng lượng sử dụng trong chip nRF24L01.
Căn cứ vào hình trên ta có thể thấy nRF hoạt động ở 3 trạng thái chờ
Thứ nhất : “POWER DOWN” được điều khiển bởi bit PWR_UP = 0 trong thanh
ghi CONFIG. Ở trạng thái này chíp chỉ hoạt bộ truyền nhận SPI ngoài ra các
thành phần khác không hoạt động. Như vậy chip không thể truyền cũng như
nhận dữ liệu. Năng lượng tiêu thụ cho trạng thái này cực kì thấp vào khoảng
900nA. Để thoát khỏi trạng thái này ta thiết lập bit PWR_UP= 1.
Thứ hai : “Standby I” là trạng thái chờ khi chân CE ở mức thấp ( CE=0). ở trạng
thái này chíp không thể truyền và nhận dữ liệu. Năng lượng tiêu thụ vào khoảng
22uA.
Thứ ba: “Standby II” là trạng thái chờ khi chân CE ở mức cao nhưng không có
dữ liệu được truyền (Tx FIFO is empty ). Năng lượng tiêu thụ vào khoảng
320uA.
2.3 Phối hợp trở kháng cho anten thu phát.
a. Chọn antenna
Chip được thiết kế sử dụng anten có trở kháng Z = 15Ω+j88Ω. Như vậy
để module hoạt động hiệu quả nhất với công suất phát lớn nhất ta cần phải
phối hợp trở khángs sao cho trở kháng tải = 15Ω+j88Ω.
Có nhiều loại anten được sử dụng cho module này và được sử dụng
nhiều có hình dạng như sau:
Antenna dipole 2.4 GHz.
Hình 3.13. Anten Dipole
Thông số:
Tần số hoạt động: 2.4 – 2.5 GHz
Trở kháng 50 Ω.
Hệ số sóng đứng: Vswr ≤ 2.
Độ lợi: 2 dB.
Loại: Mono dipole ¼ bước sóng.
Đồ thị bức xạ:
(a) H-plane (b) E-plane
Hình đồ thị bức xạ anten dipole 2.4Ghz
Chip antenna
Hình 3.14. chip anten
Thông số:
Tần số hoạt động: 2.4 – 2.5 GHz
Trở kháng 50 Ω.
Hệ số sóng đứng: Vswr ≤ 2.
Độ lợi: 0.5 dB.
Công suất tối đa : 3W.
Loại: WLAN Ceramic chip antenna.
Đồ thị bức xạ.
Hình đồ thị bức xạ anten chip 2.4Ghz
Antenna onboard
Hình anten onboard PCB.
Các thông số:
Tần số hoạt động: 2.4 – 2.5 GHz
Trở kháng 50 Ω.
Hệ số sóng đứng: Vswr ≤ 2.
Độ lợi: -8 dB.
Đồ thị bức xạ
Hình đồ thị bức xạ antenna onboard PCB.
Vì mục đích sử dụng để điều khiển các thiết bị trong nhà nên nhóm đã quết định
chọn loại antenna onboard để sử dụng cho đề tài.
Lý do:
Antenna onboard được thiết kế sẵn trên board do đó có thể sử dụng ngay mà ko cần đến antenna gắn ngoài.
Kích thước nhỏ => giảm kích thước cho mạch.
Không cần khoảng cách quá lớn.
Rẻ tiền => tiết kiệm chi phí.
b. Phối hợp trở kháng cho antenna được chọn.
Annten onboard có trở kháng 50Ω trong khi trở kháng nguồn được nhà sản
xuất cung cấp là 15 + j88. Như vậy không thể gắn trực tiếp antenna vào chip mà
phải phối hợp trở kháng.
Phương pháp phối hợp trở kháng : Balun.
Hình phối hợp trở kháng antenna cho module.
Phương pháp phối hợp trở kháng ở hình trên là phương pháp dùng mạch điện
tập trung gồm các linh kiện L ( cuộn cảm ) và C ( tụ điện ).
Hình trên ta thấy trên chip có hai ngõ vào antenna tuy nhiên đây không phải là
ngõ vào cho hai antenna riêng biệt mà là ngõ vào chung cho một antenna tuy nhiên
tiến hiệu trên hai chân này là ngược pha nhau. Như vậy biên độ tín hiệu sẽ tăng gấp
đôi. Điều này lý giải tại sao trên board chỉ có duy nhất một antenna.
2.4 Phương pháp điều chế tín hiệu trong chip nRF24L01.
Tín hiệu truyền đi trong chip được điều chế theo phương pháp GFSK
(Gaussian frequency shift keying) là loại điều chế số theo tần số tín hiệu sử dụng
bộ lọc Gauss. Thực chất đây là loại điều chế FSK nhưng có điểm khác nhau là
GFSK sử dụng một bộ lọc Gauss cho tín hiệu trước khi qua bộ điều chế FSK. Như
vậy tín hiệu sẽ được lọc trở nên mượt mà hơn và giảm độ rông phổ trước khi vào
bộ FSK. Phương pháp này được sử phổ biến trong các thiết bị Bluetooth, DECT và
Wavenis.
Hình sự khác nhau giữa FSK và GFSK.
Hình sau mô tả quá trình điều chế FSK.
Hình điều chế FSK.
2.5 Giải quyết xung đột trong truyền dẫn.
Chip nRF24L01 hỗ trợ chức năng chống xung đột trong quá trình truyền nhận.
Quá trình xung đột sảy ra khi có hai module đồng thời phát. Để tránh hiện tương
này chip RF đa hỗ trợ chức năng ACK (Auto Acknowledgement) đây là chức năng
tự động báo nhận dữ liệu thành công. Như vậy sau mỗi lần truyền dữ liệu chip
kiểm tra tín hiệu ACK nếu không có tín hiệu trả lời ACK thì chip biết quá trình
truyền bị lỗi và thực hiện truyền lại gói tin đó.
3. Giới thiệu về LCD character 16x2.
LCD character hay còn gọi là text LCD là các loại màn hình tinh thể
lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng chữ hoặc số trong bảng mã ASCII.
Không giống các loại LCD lớn, Text LCD được chia sẵn thành từng ô và ứng
với mỗi ô chỉ có thể hiển thị một ký tự ASCII. Cũng vì lý do chỉ hiện thị
được ký tự ASCII nên loại LCD này được gọi là Text LCD (để phân biệt với
Graphic LCD có thể hiển thị hình ảnh). Mỗi ô của Text LCD bao gồm các
“chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” và “hiện” các chấm này sẽ tạo thành
một ký tự cần hiển thị. Trong các Text LCD, các mẫu ký tự được định nghĩa
sẵn. Kích thước của Text LCD được định nghĩa bằng số ký tự có thể hiển thị
trên 1 dòng và tổng số dòng mà LCD có. Ví dụ LCD 16x2 là loại có 2 dòng
và mỗi dòng có thể hiển thị tối đa 16 ký tự. Một số kích thước Text LCD
thông thường gồm 16x1, 16x2, 16x4, 20x2, 20x4…Hình sau là một ví dụ
Text LCD 16x2.
Hình 3.12 LCD character
NG
UỒ
N 5V
DC
NG
UỒ
N 5V
DC
PHẦN 4
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CHỨC NĂNG
1. Thiết kế mạch.
1.1. Sơ đồ khối hệ thống
1.1.1. Sơ đồ khối phát dữ liệu ( CENTER )
Hình 4.1 sơ đồ khối phát dữ liệu điều khiển
1.1.2. Sơ đồ khối thu dữ liệu.
5V/DC TO 3.3V
DC
5V/DC TO 3.3V
DC
KEYBOARD
NRF24L01 MODULE
Hình 4.2. sơ đồ khối thu dữ liệu điều khiển
1.2. Thiết kế bộ nguồn.
NG
UỒ
N 5V
DC
NG
UỒ
N 5V
DC
5V/DC TO 3.3V
DC
5V/DC TO 3.3V
DC
NRF24L01 MODULE
Yêu cầu:
Nguồn ra 5v cung cấp cho mạch vi điều khiển và relay, ổn định.
Nguồn vào 220v/50Hz.
Thực hiện:
Mạch sử dụng linh kiện tiêu thụ dòng thấp nên dùng IC ổn áp chuyên dụng LM7805 làm mạch cung cấp nguồn cho PIC18F77A
123
JACK DC
TBLOCK-M3
VI1 VO 3
GN
D2
78057805
CP1100u
CP2104
CP3100u
CP4104
R11k
LED NGUON
BR1
B125C1000
Hình 4.3 Mạch nguồn dùng IC 7805
Để có nguồn 3.3V cung cấp cho module nRF24L01 ta cần mạch chuyển đổi 5v sang 3.3 như sau.
3.3v
R-LCD
10
ZEN-3.31N4728A
Q1c2383
R2
220
D11N4007
C1100u
C2100p
Hình 4.4 Mạch nguồn 3.3 V
1.3. Thiết kế keyboard
Hoạt động theo nguyên tắt đọc ADC và giả mã phím. Như vậy mỗi phím sẽ có một mức định áp cố định.
Ưu điểm:
Tiết kiệm Port cho vi xử lí (chỉ sử dụng duy nhất một chân để giải mã phím)
Đơn giản dễ thực hiện.
Có thể mở rộng số lượng nút nhấn.
Nhược điểm
Giải thuật giải mã phím phức tạp
Chỉ dùng cho vi điều khiển có chức năng ADC
Sơ đồ bàn phím:
R16
1K
R17
1K
R18
1K
R19
1K
R20
1K
R21
1K
12
34
SW13SW-DPST
12
34
SW14SW-DPST
12
34
SW15SW-DPST
12
34
SW16SW-DPST
12
34
SW17SW-DPST
12
34
SW18SW-DPST
12
34
SW19SW-DPST
12
34
SW20SW-DPST
R1
10k
Hình 4.5 sơ đồ mạch bàn phím
1.4. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm.
Yêu cầu:
Giao tiếp được với module nRF24L01.
Giao tiếp với LCD để hiển thị thông tin và trạng thái của thiết bị
Giải mã bàn phím.
Thực hiện:
Để thực hiện các yêu cầu trên ta cần phải dùng vi xử lý PIC 16F877A để điều khiển.
Lý do: PIC16F877A là loại vi xử lý giá thành rẻ, thông dụng, hoạt động ổn định và hỗ trợ các giao thức SPI và ADC.
Sơ đồ toàn mạch phần điều khiển trung tâm như hình sau.
MCLR
CESCK
MI
CSNMO
IRQ
SCKMIMO
MCLR
RB7RB6
RS
RW
E D4
D5
D6
D7
D7D6
D5D4
ERWRS
RB6RB7
RB0
RA0
3.3v
3.3v
CECSN
IRQ
RA0
CXTAL2
22p
CXTAL1
22p
XTAL4MHz
R_MCLR10k
C30.1uF
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA4/T0CKI/C1OUT6
RA5/AN4/SS/C2OUT7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP2 16
RC2/CCP1 17
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP0 19
RD1/PSP120
RB7/PGD40
RB6/PGC 39RB5
38RB4 37
RB3/PGM 36RB2 35RB1 34
RB0/INT 33
RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5
28RD4/PSP4 27RD3/PSP3
22RD2/PSP2 21
RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25
RC5/SDO24
RC4/SDI/SDA 23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI 15
MCLR/Vpp/THV1
U1
PIC16F877A
1234
10987
5 6
RF 2.4G
12345
PIC_KIT2
SIL-100-05
123
JACK DC
TBLOCK-M3
VI1 VO 3
GN
D2
78057805
CP1100u
CP2104
CP3100u
CP4104
R11k
LED NGUON
BR1
B125C1000
12
SW_RS
BUTTON
D7
14D
613
D5
12D
411
D3
10D
29
D1
8D
07
E6
RW
5R
S4
VS
S1
VD
D2
VE
E3
LCD1LM016L
50%
13
2
VR_LCD
10k
ZEN-3.31N4728A
Q12N3711
R2
220
D11N4007
C1100u
C2100p
123
J1
SIL-156-03
KHOI DIEU KHIEN
KHOI HIEN THI
KHOI NGUON
KH
OI G
IAO
TIE
P
Hình 4.6. Sơ đồ toàn mạch khối điều khiển trung tâm
Hình 4.6. Sơ đồ toàn mạch khối điều khiển trung tâm
1.5. Thiết kế khối thu dữ liệu và điều khiển thiết bị.
Yêu cầu:
Giao tiếp được với module nRF24L01.
Kết nối với các thiết bị trong gia đình như đèn, máy bơm....
Có thể ết nối với thiết bị hoạt động ở điện áp 220v.
Thực hiện:
Để thực hiện các yêu cầu trên ta cần phải dùng vi xử lý PIC 16F877A để giao tiếp với module nRF24L01 đồng thời điều khiển các trạng thái relay để đóng ngắt dòng điện qua các thiết bị
Sơ đồ toàn mạch phần thu như hình sau.
MCLR
RWE
D4D5D6
D7
RB0RB1RB2RB3RB4RB5RB6RB7
RB0
RB1
RB2
SCKMIMO
MCLR
RB7RB6
CESCK
MI
CSNMO
IRQ
3.3v
3.3v
CECSN
IRQ
CXTAL2
22p
CXTAL1
22p
XTAL4MHz
R_MCLR10k
C30.1uF
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA4/T0CKI/C1OUT6
RA5/AN4/SS/C2OUT7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP216
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RB7/PGD40
RB6/PGC39
RB538
RB437
RB3/PGM36
RB235
RB134
RB0/INT33
RD7/PSP730
RD6/PSP629
RD5/PSP528
RD4/PSP427
RD3/PSP322
RD2/PSP221
RC7/RX/DT26
RC6/TX/CK25
RC5/SDO24
RC4/SDI/SDA23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI15
MCLR/Vpp/THV1
U1
PIC16F877A
RL1
RL2
RL3
D11N4007
D2
D31N4007
LED1
R_LED110k
LED2
R_LED210k
LED3
R_LED310k
Q12N3711
Q22N3711
Q32N3711
RQ1
330
RQ2
330
RQ3
330
123
DOMINO1
123
DOMINO2
123
DOMINO3
12345
PIC_KIT2
SIL-100-05
123
JACK DC
TBLOCK-M3
VI1
VO3
GN
D2
78057805
CP1100u
CP2104
CP3100u
CP4104
R11k
LED NGUON
BR1
B125C1000
12
SW_RS
BUTTON
1234
10987
5 6
RF 2.4G
ZEN-3.31N4728A
Q1X2N3711
R2
220
D1X1N4007
C1100u
C2100p
KHOI DIEU KHIENKHOI GIAO TIEP THIET BI
KHOI GIAO TIEP
KHOI NGUON
Hình 4.7. Sơ đồ toàn mạch khối thu
Hình 4.7. Sơ đồ toàn mạch khối thu
1.6. Mạch module nRF24L01.
nRF24L01- module là board mạch thiết kế cho giải pháp truyền dữ liệu không
dây, sử dụng chip thế hệ mới nhất nRF24L01+của hãng Nordic's, bổ sung thêm một
số pipelines, buffers, và chức năng auto-retransmit feature , sử dụng băng tần
2.4GHz, sử dụng giao thức SPI để giao tiếp. Module này rất lý tưởng cho truyền dữ
liệu wireless, multicast và frequency-hopping communication.
Sơ đồ mạch như hình sau:
Hình 4.8. sơ đồ mạch module nRF24L01
2. Thi công mạch.
2.1. Sơ đồ giải thuật cấu hình nRF24L01 truyền nhận dữ liệu.
Hình 4.9. sơ đồ trình tự cấu hình chip nRF24L01
Sơ đồ giải thuật cấu hình nRF24L01 truyền dữ liệu như hình sau:
Hình 4.10. sơ đồ giải thuật truyền dữ liệu
Hình 4.11. sơ đồ giải thuật cấu hình nRF24L01 nhận dữ liệu
2.2. Sơ đồ giải thuật điều khiển Multihop.
Hình 4.12. sơ đồ giải thuật truyền dữ liệu tại “CENTER”.
BEGINBEGIN
CẤU HÌNH TX_mode
Key !=0 ?
Key !=0 ?
Read key()
No
Yes
Multihop =2?
Multihop =2?
Gửi dữ liệu tới PIPE0
Yes
Yes
Gửi dữ liệu tới PIPE1
PIPE=0 ?
PIPE=0 ?
PIPE=1 ?
PIPE=1 ?
Multihop =1?
Multihop =1?
Đổi địa chỉ nhận => PIPE 0
Yes
NoPIPE=0 ?
PIPE=0 ?
Đổi địa chỉ nhận => PIPE 1
No
No
2.3. Sơ đồ giải thuật nhận dữ liệu và điều khiển thiết bị.
Hình 4.13. sơ đồ giải thuật nhận dữ liệu tại “NHÓM THIẾT BỊ”.
BEGINBEGIN
CẤU HÌNH RX_mode
IRQ=0 ?
IRQ=0 ?
No
Yes
Cập nhập trạng thái mới cho tb
Lấy trạng thái mới của thiết bị
Nhận dữ liệu
Kiểm tra địa chỉ nhận
Địa chỉ đúng ?
Địa chỉ đúng ?
CẤU HÌNH TX_mode
Truyền dữ liệu nhận được đến
PIPE cạnh
Yes
No
3. Kết quả thi công.
PHẦN 5
KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
1. Kết luận.
Qua 2 tháng tìm hiểu và nghiên cứu nhóm đã tiến hành thiết kế và thực hiện thành công đề tài và có những kinh nghiệm thu được rất quý báu.
Nắm bắt được công nghệ truyền tin không dây cũng như các công nghệ liên
quan.
Xây dựng hoàn chỉnh một hệ thống điều khiển thiết bị và có thể áp dụng vào
thực tế.
Hệ thống hoạt động tốt trong các môi trường khác nhau.
Hệ thống cho phép cấu hình điều khiển multihop do đó rất thuận lợi cho điều
khiển không gian rộng và mở rộng số lượng thiết bị điều khiển.
2. Những hạn chế.
Tuy có nhiều cố gắng trong thiết kế và thi công nhưng mạch vẫn còn nhưng hạn chế sau:
Khoảng cách điều khiển còn hạn chế.
Sử dụng băng tần 2.4 dễ bị nhiễu bới các thiết bị hoạt động cùng băng tần như Wifi, wireless LAN....
3. Hướng phát triển đề tài.
Nâng cao công suất phát bằng các máy phát công suất cao hơn.
Tăng số lượng thiết bị và khoảng cách truyền.
Tạo mạng điều khiển Zigbee.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] nRF24L01_Product_Specification_v2_0 datasheet chip nRF2401
[2] http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/bai-giang-song-vo-tuyen.1307723.html
[3] http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en026561
[4] PIC16F87XA Data Sheet.
[5] http://www.hocavr.com/index.php/lectures/spi
CODE CHUONG TRÌNH