Nghiên cứu điều khiển hệ thống thiết bị điện điện tử trong gia đình thông qua điện thoại Smartphone

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: Nghiên cứu điều khiển hệ thống thiết bị điện điện tử trong gia đình thông qua điện thoại Smartphone Ngành đào tạo: Điện tử truyền thông Mã số ngành: 107 Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đình Hồng Người hướng dẫn luận văn tốt nghiệp Th.s Đặng Thị Hương Giang Hà Nội, ngày 15, tháng 3, năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Nguyễn Đình Hồng, là sinh viên khóa 20112015 chuyên ngành: Điện tử truyền thông, mã số sinh viên: 1151070026. Tôi xin cam đoan: Bài luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Cô Đặng Thị Hương Giang. Các thông tin tham khảo trong đề tài này được thu thập từ những nguồn đáng tin cậy, đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng ở phần Danh mục tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu trong bài luận văn này là do chính tôi thực hiện một cách nghiêm túc, trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi xin cam đoan điều tôi nói trên hoàn toàn là sự thật và xin chịu mọi trách nhiệm về những gì điều này. Hà Nội, ngày 15 tháng 3 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Hồng LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù là trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường Đại Học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến Thầy Cô ở Khoa Điện Tử – trường Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Và đặc biệt, trong kỳ này, Khoa đã tổ cho em được tiếp cận với môn học rất hữu ích đối với sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử, truyền thông. Đó là được tham gia làm luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn cô Đặng Thị Hương Giang, đã tận tâm hướng dẫn em qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận về môn học. Trong thời gian được học tập và làm luận văn dưới sự hướng dẫn của thầy cô, em không những thu được rất nhiều kiến thức bổ ích, mà còn được truyền sự say mê và thích thú đối với bộ môn liên quan đến chuyên nghành điện tử truyền thông của em. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy cô thì em nghĩ bài luận văn cuối khóa này của em rất khó có thể hoàn thành được. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bè bạn, đã luôn là nguồn động viên to lớn, giúp em vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp. Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thiện luận văn với tất cả sự nỗ lực, tuy nhiên để nắm rõ và hiểu hết về đề tài ‘‘Nghiên cứu điều khiển hệ thống thiết bị điện điện tử trong gia đình thông qua điện thoại Smartphone’’.chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự quan tâm, thông cảm và những đóng góp quý báu của các thầy cô và các bạn để bài báo cáo luận văn này ngày càng hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 05 tháng 3 năm 2015 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐÌNH HỒNG LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, điện thoại di động đã trở thành một trong những công cụ liên lạc thiết yếu của con người. Không chỉ thế, ngoài chức năng liên lạc, cùng với sự phát triển của công nghệ, kết nối toàn cầu, điện thoại di động còn được trang bị nhiều ứng dụng giải trí, định vị, mua sắm, thanh toán trực tuyến,…chúng gọi chung là điện thoại thông minh Smartphone. Đặc biệt sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số làm cho ngành điện điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn. Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật hiện đại thâm nhập rộng rãi vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế và đời sống xã hội. Từ những hệ thống máy tính lớn, đến những hệ máy tính cá nhân, từ những việc điều khiển các máy móc công nghiệp đến các thiết bị điện – điện tử phục vụ đời sống hằng ngày của con người. Trong các hệ thống đó việc trao đổi thông tin là vô cùng quan trọng. Công nghệ truyền tin không dây Bluetooth ngày càng phát triển và đã phổ biến hầu hết trên các thiết bị di động. Báo cáo luận văn này trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ không dây Bluetooth của các thiết bị điên điện tử chạy trên nền hệ điều hành Android ứng dụng vào ‘‘Nghiên cứu điều khiển hệ thống thiết bị điện điện tử trong gia đình thông qua điện thoại Smartphone ”. Khóa luận gồm 4 chương: ( Gồm có bài báo cáo và mô hình thực tế ) Chương 1: Tổng quan kỹ thuật điều khiển hệ thống. Phần này nói về lịch sử phát triển, phân loại của kỹ thuật điều khiển hệ thống, các dòng IC dùng trong kỹ thuật điều khiển hệ thống. Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị điện điện tử trong gia đình. Phần này trình bày về quá trình thiết kế hệ thống bao gồm phần cứng và mềm. Chương 3: Lập trình hệ thống sử dụng ngôn ngữ C. Phần này giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C và bài lập trình trong bài. Chương 4: Kết quả thực nghiệm. Phần này nói về kết quả thu được của mạch và hướng phát triển của đề tài. MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan kỹ thuật điều khiển hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1 Kỹ thuật điều khiển hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật điều khiển hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 1.1.2 Khái niệm kỹ thuật điều khiển hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 1.1.3 Phân loại kỹ thuật điều khiển hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..14 1.1.3.1 Điều khiển cổ điển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 1.1.3.2 Điều khiển hiện đại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . 15 1.1.3.3 Điểu khiển thông minh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2 Tìm hiểu về các dòng IC điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 1.2.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 17 1.2.1.1 Lịch sử phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 17 1.2.1.2 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 1.2.1.3 Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 1.2.2 Các loại IC điển hình . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 1.2.2.1 IC điều khiển 89S52 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 20 1.2.2.1.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .20 1.2.2.1.2 Sơ đồ chân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .21 1.2.2.1.3 Chức năng của các chân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.2.2 IC điều khiển 16F877A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.2.2.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .22 1.2.2.2.2 Sơ đồ chân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 1.2.2.2.3 Chức năng của các chân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Chương 2: Kỹ thuật điều khiển hệ thống thiết bị điện điện tử trong gia đình.26 2.1 Xác định yêu cầu thiết kế và phân tích linh kiện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.1.1 Xác định yêu cầu thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.1.2 Phân tích linh kiện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..26 2.2 Các loại giao tiếp không dây dùng trong hệ thống điều khiển hiện nay.29 2.2.1 Các loại giao tiếp không . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 2.2.1.1 Giao tiếp qua sóng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 2.2.1.2 Giao tiếp bằng sóng Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 2.2.1.3 Giao tiếp bằng sóng hồng ngoại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.1.4 Giao tiếp gần NFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.1.5 Điện thoại cố định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 2.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.2.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . .. . . . . . . . . . .31 2.2.2.2 Lịch sử phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.2.3.1 Cấu tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 2.2.2.3.3 Nguyên lý hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.2.3.4 Ưu nhược điểm của module Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.2.3.4.1 Ưu điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 35 2.2.2.3.4.2 Nhược điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . 35 2.2.3 Ứng dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .36 2.3 Thiết kế hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 39 2.3.1 Sơ đồ khối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .39 2.3.2 Ứng dụng trên Android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 2.3.3 Thiết kế phần cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .42 2.3.3.1 Sơ đồ khối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .42 2.3.3.2 Mạch nguyên lý . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3.3.3 Nguyên lý hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 43 2.3.3.4 Mạch in . . . . .. .. . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44 2.4 Thi công . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . .45 2.5 Hoàn thiện mạch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . ... . . . . . . . . . .46 Chương 3 Lập trình mạch sử dụng ngôn ngữ C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...46 3.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 3.2 Chương trình của hệ thống điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 Chương 4 Kết quả thực nghiệm và hướng phát triển của đề tài . . . . .. . . . 58 4.1 Kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .58 4.2 Hướng phát triển của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 4.2.1 Phát triển thêm hướng giám sát điều khiển các thiết bị từ xa. . . . . . . . 59 4.2.2 Xây dựng hệ thống mô hình trở thành đề tài “Ngôi nhà thông minh Smart Home”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .73 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. .73 BẢNG CHÚ GIẢI CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU, ĐƠN VỊ ĐO, TỪ NGẮN HOẶC THUẬT NGỮ Kí hiệu Chữ viết tắt Nghĩa của kí hiệu, chữ viết tắt IC Integrated circuit Chíp IR Infrared Remote Điều khiển hồng ngoại PIN Personnal Identification Number Mã số cá nhân SMS Short Message Services Dịch vụ nhắn tin DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG BÀI LUẬN VĂN Bảng Nội dung 4.1 Kết quả tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách của mạch DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG BÀI LUẬN VĂN Hình Nội dung chú thích cho hình Hình 1.1 Điều khiển thiết bị bằng Smartphone qua Bluetooth Hình 1.2 Họ IC AMCC Hình 1.3 Họ IC Atmel Hình 1.4 Họ IC Freescale Semiconductor Hình 1.5 Họ IC Intel Hình 1.6 Họ IC Mero chip Hình 1.7 Giao tiếp NFC Hình 1.8 Điện thoại cố định có dây Hình 1.9 Cấu tạo của module card Bluetooth Hình 2.1 Thiết bị điều khiển bằng sóng RF Hình 2.2 Sự tương tác thông qua sóng Bluetooth Hình 2.3 Thiết bị điều khiển bằng sóng hồng ngoại Hình 2.4 Giao tiếp gần NFC Hình 2.5 Điện thoại cố định có dây Hình 2.6 Cấu tạo của mudule Bluetooth Hình 2.7 Truyền tải tệp tin qua Bluetooth giữa các thiết bị có Bluetooth Hình 2.8 Truyền tải tệp tin giữa máy tính với điện thoại Hình 2.9 Chia sẻ mạng qua Bluetooh Hình 2.10 Bluetooth kết nối máy tính với các thiết bị ngoại vi Hình 2.11 Bluetooth kết nối máy tính với máy tính Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển các thiết bị trong gia đình Hình 2.13 Phần mềm Bluetooth SPP trên CH play Hình 2.14 Hình ảnh về phần mềm Hình 2.15 Giao diện phần mềm Hình 2.16 Kết nối với thiết bị điều khiển qua điện thoại đã cài phần mềm Hình 2.17 Cài đặt cho phần mềm Hình 2.18 Giao diện điều khiển của phần mềm Hình 2.19 Sơ đồ khối của hệ thống Hình 2.20 Mạch nguyên lý Bluetooth Hình 2.21 Mạch nguyên lý Sim900 Hình 2.22 Mạch in Bluetooth Hình 2.23 Mạch in Sim900 Hình 2.24 Mạch in đồng Bluetooth Hình 2.25 Mạch in đồng Sim900 Hình 2.26 Sản phầm mạch Bluetooth Hình 2.27 Sản phẩm mạch Sim900 Hình 4.1 Kết quả đo khoảng cách mạch hoạt động Hình 4.2 Mạch nguyên lý mạch giám sát và cảnh báo nhiệt độ Hình 4.3 Mạch in mạch giám sát và cảnh báo nhiệt độ Hình 4.4 Sản phẩm hoàn thiệt Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống tự trong gia đình Hình 4.6 Ngôi nhà thông minh Hình 4.7 Một số ví dụ về các hệ thống nhúng thông dụng Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 1.1 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật điều khiển hệ thống. Mặc dù nhiều dạng của hệ thống điều khiển có từ rất sớm, nghiên cứu chính thức của lĩnh vực này bắt đầu với một phân tích động học của hệ điều tốc li tâm, được thực hiển bởi nhà vật lý James Clerk Maxwell vào năm 1868 với tựa đề On Governors (hệ điều tốc). Tài liệu này miêu tả và phân tích hiện tượng sự dao động, trong đó sự trễ pha trong hệ thống có thể dẫn đến trạng thái bù quá mức và không ổn định. Điều này tạo ra sự hấp dẫn trong đề tài này, trong những bạn học với Maxwell, Edward John Routh tổng quát hóa các kết quả của Maxwell cho lớp tổng quát trong các hệ tuyến tính. Một cách độc lập, Adolf Hurwitz đã phân tích sự ổn định của hệ thống sử dụng phương trình vi phân vào năm 1877, kết quả là ta có được định lý RouthHurwitz. Vào Chiến tranh thế giới thứ II, lý thuyết điều khiển đã là một phần quan trọng của hệ thống kiểm soát hỏa lực, hệ thống dẫn đường và điện tử học. Cuộc chạy đua không gian cũng phụ thuộc vào sự chính xác của việc điều khiển tàu không gian. Tuy nhiên, lý thuyết điều khiển cũng được sử dụng trong các lĩnh vực khác càng ngày càng nhiều như trong kinh tế học. Từ những năm 1960 gần đây kỹ thuật điều khiển hệ thống rất phát triển, và được ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống và sản xuất. Đặc biệt là được ứng dụng nhiều vào công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa, khoa học kỹ thuật và quốc phòng. Trong các nhà máy thì kỹ thuật điều khiển được khai thác rất triệt để, với các hệ thống máy móc, robot hoàn toàn tự động và được giám sát kỹ càng giúp việc sản xuất tăng nhanh, giải phóng sức lao động. Nhờ có kỹ thuật điều khiển hệ thống phát triển nhanh mà có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán. Điều khiển thông minh có thể giải quyết được. Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mơ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏngbắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khã năng ứng dụng thực tế rất cao. 1.1.2 Khái niệm kỹ thuật điều khiển hệ thống. Kỹ thuật điều khiển hệ thống là ngành thuộc nhóm ngành điện – điện tử, chuyên nghiên cứu các thuật toán, hệ thống để điều khiển, sử dụng các thiết bị chấp hành nhằm mục đích tự động các quá trình công nghệ sản xuất, nơi các thao tác của con người được thay thế hoàn toàn bằng các hoạt động máy móc, robot và các thiết bị điều khiển tự động nhằm tăng sự tiện ích và làm tăng năng xuất lao động. Đây là ngành học đòi hỏi người học phải năng động, đam mê, sáng tạo, kiên trì, ham học hỏi, có kỹ năng nghề nghiệp cao… 1.1.3 Phân loại kỹ thuật điều khiển hệ thống. Kỹ thuật điều khiển gồm có 3 loại gồm : Điều khiển cổ điển, điều khiển hiện đại và điều khiển thông minh. 1.1.3.1 Điều khiển cổ điển (classical control) Lý thuyết điều khiển cổ điển (trước 1960) mô tả hệ thống trong miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace). Do dựa trên các phép biến đổi này, lý thuyết điều khiển cổ điển chủ yếu áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian, mặt dù có một vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến, thí dụ phương pháp hàm mô tả. Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để thiết kế hệ thống một anten phát một anten thu (SISO: singleinputsingleoutput), rất khó áp dụng cho các hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO: multiinputmultioutput) và các hệ thống biến đổi theo thời gian. Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống trong lý thuyết điều khiển cổ điển gồm có phương pháp Nyquist, Bode, và phương pháp quỹ đạo nghiệm số. Để thiết kế hệ thống dùng phương pháp Nyquist và Bode cần mô tả hệ thống dưới dạng đáp ứng tần số (đáp ứng biên độ và đáp ứng pha), đây là một thuận lợi vì đáp ứng tần số có thể đo được bằng thực nghiệm. Mô tả hệ thống cần để thiết kế dùng phương pháp quỹ đạo nghiệm số là hàm truyền, hàm truyền cũng có thể tính được từ đáp ứng tần số. 1.1.3.2 Điều khiển hiện đại (modern control) Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại dựa trên miền thời gian. Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái. Mô hình không gian trạng thái có ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và có thể dễ dàng áp dụng cho hệ MIMO và hệ thống biến đổi theo thời gian. Lý thuyết điều khiển hiện đại ban đầu được phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau đó được mở rộng cho hệ phi tuyến bằng cách sử dụng lý thuyết của Lyapunov. Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái. Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái mà ta có phương pháp phân bố cực, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững...Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số. Điều này cho phép thực thi được các bộ điều khiển có đặc tính động phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với các bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết cổ điển 1.1.3.3 Điều khiển thông minh (intelligent control) Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại, gọi chung là điều khiển thông thường (conventional control) có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải biết mô hình toán học của đối tượng. Trong khi đó thực tế có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán. Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏngbắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế rất lớn. Khuyết điểm của điều khiển mờ là quá trình thiết kế mang tính thử sai, dựa vào kinh nghiệm của chuyên gia. Nhờ kết hợp logic mờ với mạng thần kinh nhân tạo hay thuật toán di truyền mà thông số bộ điều khiển mờ có thể thay đổi thông qua quá trình học hay quá trình tiến hóa, vì vậy khắc phục được khuyết điểm thử sai. Hiện nay các bộ điều khiển thông thường kết hợp với các kỹ thuật điều khiển thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai điều khiển các hệ thống phức tạp với chất lượng rất tốt. 1.1.4 Kỹ thuật điều khiển hệ thống thiết bị điện điện tử trong gia đình 1.1.4.1 Tìm hiểu về các hệ thống điều khiển trong gia đình Hệ thống điều khiển dùng qua mạng điện thoại có dây. Là một hệ thống dùng đường dây điện thoại cố định để điều khiển các thiết bị khác, nó sẽ dùng lệnh mã hóa từ bàn phím của điện thoại cố định mà có thể điều khiển được thiết bị nối trong đường dây đó. Kỹ thuật này không tiện lợi và thông minh cũng như tính cơ động không có, lúc nào cũng bị cố định một vị trí nhất định. Hệ thống ngôi nhà thông minh “ Smart Home” điều khiển giám sát mọi thiết bị trong gia đình. Là một hệ thống sử dụng một khối trung tâm có kết nối wifi với các nối với khối trung tâm đó và điều khiển các thiết bị khác trong gia đình qua wifi. Với đầy đủ các chức năng như điều khiển, giám sát và đảm bảo an ninh cho ngôi nhà. Rất thông minh và hữu dụng Hệ thống điều khiển bằng robot. Là một hệ thống sẽ sử dụng đến robot để có thể điều khiển thiết bị, robot sẽ tự động điều khiển. Rất chính xác và an toàn. Nhưng lại không có sự cơ động ứng dụng cao, vì chi phí đắt đỏ. Hệ thống điều khiển thông qua điện thoại có bluetooth. Là hệ thống sử dụng card Bluetooth trên điện thoại giao tiếp với thiết bị có Bluetooh khác rồi kết nối và điều khiển. Hệ thống này đơn giản và rất ổn định, tuy nhiên thì khoảng cách lại không quá xa. Chỉ trong tầm mà sóng Bluetooth của 2 thiết bị kết nối được với nhau. Hệ thống điều khiển thông qua SMS điện thoại. Là hệ thống điều khiển giám sát thiết bị thông qua SMS điện thoại, nhờ vậy chỉ cần nhắn tin thì ngay lập tức tin nhắn của bạn có thể điều khiển cũng như giám sát thiết bị của mình. Nhưng tính ổn định chưa cao và khó thực hiện. 1.1.4.2 Kỹ thuật điều khiển hệ thống thiết bị điện điện tử trong gia đình thông qua Bluetooth. Trong đề tài luận văn này em sẽ sử dụng mô hình điều khiển các thiết bị điện điện tử trong gia đình thông qua điện thoại smartphone chạy hệ điều hành Android có Bluetooth. Nhằm biến chiếc điện thoại smartphone thành một remote (điều khiển từ xa) duy nhất điều khiển được mọi thiết bị điện điện tử trong nhà. Ví dụ như là cửa cuộn, ti vi, điều hòa, đèn, lò sưởi, quạt....vv Hình 1.1: Điều khiển thiết bị bằng Smartphone qua Bluetooth Đặc biệt sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số làm cho ngành điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn. Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật hiện đại thâm nhập rộng rãi vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế và đời sống xã hội. Từ những hệ thống máy tính lớn, đến những hệ máy tính cá nhân, từ những việc điều khiển các máy móc công nghiệp đến các thiết bị điện – điện tử phục vụ đời sống hằng ngày của con người. Trong các hệ thống đó việc trao đổi thông tin là vô cùng quan trọng. Công nghệ truyền tin không dây ngày càng phát triển, đặc biệt công nghệ Bluetooth đã phổ biến hầu hết trên các thiết bị di động. Công nghệ không dây Bluetooth là một tiêu chuẩn trong thực tế, dùng cho các thiết bị cỡ nhỏ, chi phí thấp, sóng ngắn liên kết giữa PC di động, điện thoại di động và giữa các máy tính với nhau. Bluetooth Special Interest Group là tổ chức gồm những công ty hàng đầu trong lĩnh vực viễn thông, máy tính và công nghiệp mạng đang cố gắng phát triển công nghệ này và cung cấp rộng rãi trên thị trường. Bluetooth là một công nghệ cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau mà không cần cáp và dây dẫn. Bluetooth ít tiêu hao năng lượng và có giá thành thấp mặc dù nó tốc độ của nó chậm hơn khá nhiều so với mạng không dây WiFi. Apple đã trang bị chức năng hỗ trợ Bluetooth vào hệ máy Mac của mình trong nhiều năm để kích hoạt khả năng hoạt động với các thiết bị bàn phím và chuột không dây hỗ trợ Bluetooth, đồng bộ hoá dữ liệu với điện thoại di động và thiết bị hỗ trợ cá nhân PDA, in ấn với các máy in hỗ trợ Bluetooth và kết nối đến các thiết bị khác. 1.2 TÌM HIỂU VỀ CÁC DÒNG IC ĐIỀU KHIỂN 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.1.1 Lịch sử phát triển Ở mọi nơi, mọi chỗ ta luôn nhìn thấy sự hiện hữu của công nghệ điện tử, của ngành sản xuất IC. Sự xuất hiện và phát triển của công nghệ bán dẫn đã đưa con người lên tầm cao mới. Chúng ta hãy cùng điểm lại một số mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghệ sản xuất IC trên thế giới. • 1940 Russel Ohl tại phòng thí nghiệm Bell Labs đã tạo ra tiếp giáp PN có điện áp 0.5 volts khi được phơi ra ngoài nắng. Đây chính là khởi đầu cho sự phát triển của ngành bán dẫn sau này. • Năm1945, Bell Labs đã thành lập một nhóm chuyên gia để phát triển bán dẫn thay cho đèn chân không lúc đó đang được sử dụng rộng rãi. Nhóm chuyên gia đứng đầu là William Shockley bao gồm 2 chuyên gia John Bardeen, Walter Brattain và các cộng sự. Năm 1947 J. Bardeen W. Brattain đã phát minh ra transistor đầu tiên (pointcontact transistor) với tên gọi sơ khai là transfer resistance – thiết bị chuyển đổi trở kháng. Đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay cho ống chân không. Dòng điện vào được truyền qua lớp dẫn điện (conversion layer) trên bề mặt bản Germanium và được khuyếch đại thành dòng ra. Sở dĩ thiết bị khuyếch đại dòng điện này có tên là TRANSISTOR vì nó là một loại điện trở (RESISTOR) hay bán dẫn (SEMICONDUCTOR) có khả năng truyền điện (TRANSFER). • 1950 Sau khi pointcontact transistor ra đời, nó nhanh chóng bị thay thế bởi junction transistor (transistor tiếp giáp NP) vào năm 1951 do hạn chế khó chế tạo của nó. Đến năm 1954 thì transistor đã trở thành linh kiện quan trọng trong hệ thống điện thoại, radio. Và minh chứng cho tầm quan trọng của sự ra đời transistor chính là giải thưởng Nobel vật lý năm 1956 được trao cho Bardeen, Bratain và Shockley. Thập niên 50 là khoảng thời gian được coi như quá trình chuẩn bị cho sự ra đời của một con IC hoàn chỉnh đầu tiên. Đầu tiên là việc chia sẻ những nguyên tắc sản xuất IC của các nhà khoa học, tiếp đến là các hoạt động mang tính thương mại của một số hãng lớn như Texas Instruments để quảng bá hình ảnh của thứ được gọi là filthy mess kia, silicon cũng được chọn là phương án tối ưu để sản xuất IC thay cho germanium – một thứ vừa đắt lại khó sản xuất. Trong thời gian này Bell Labs cũng đã thành công trong việc thực nghiệm các quá trình oxi hóa (oxidation), khuyếch tán (diffusion), quang khắc (photomasking), ectching (ăn mòn), đây là những quá trình nền tảng trong layout IC. Đến năm 1955 thì transistor hiệu ứng trường đầu tiên được Bell Labs sản xuất. Có thể nói đây là một mốc hết sức quan trọng vì như ta biết MOSFET chính là linh kiện quan trọng nhất trong công nghệ CMOS (công nghệ đang được sử dụng hiện nay để sản xuất IC) • 12091958 Jack Killby đã chế tạo thành công ra IC dao động với 5 linh kiện đơn giản đó là: resistors, capacitors, distributed capacitors và transistors trên một vật liệu giống nhau gọi là “chip”. Phát minh này không chỉ mang lại cho Killbly bằng sáng chế của TI mà còn mang lại cho ông một phần của giải thưởng Nobel vật lý năm 2000. • 1959 Robert Noyce đã phát minh ra công nghệ Plamar – nền tảng của thiết kế IC phức tạp sau này. • 1960 Những năm 60 chứng kiến hàng loạt sự kiện đáng nhớ của công nghệ bán dẫn. Năm 1960, không những công nghệ Epitaxial được phát triển thành công mà MOSFET đầu tiên cũng được sản xuất tại phòng thí nghiệm Bell Labs. Đồng thời wafer 0.525 inch cũng được giới thiệu. •1963 Đây là sự kết hợp của NMOS và PMOS, có thể mang lại dòng điện rất nhỏ. Nó được công bố bởi hãng Fairchild semiconductor. CMOS có thể coi là công nghệ nền tảng cho sự phát triển rực rỡ của bán dẫn đến ngày hôm nay. •1965 Năm này đánh dấu sự ra đời của định luật Moore – lời tiên đoán cho sự phát triển của công nghệ bán dẫn. Theo Moore:”Số lượng phần tử trên một chip sẽ tăng gấp đôi trên một năm”. Điều này đúng trong một thời gian dài, tuy nhiên Moore cũng chỉ ra rằng trong khoảng thời gian xa hơn thì có thể để số lượng phần tử tăng gấp đôi thì cần hai năm chứ không phải là một năm. Và điều này đã đúng vào năm 1985, khi mà công nghệ điện tử đã đạt tới thời kì hoàng kim. Không những thế định luật Moore cũng chỉ ra nguồn gốc của sự tăng linh kiện trên một chip: Do tăng độ phân giải trong quá trình quan khắc. Do kích thước của wafer ngày càng lớn. Do công nghệ ngày càng phát triển, có thể sản xuất ra các transistor có những tính năng vượt trội. Xu hướng phát triển của công nghệ bán dẫn là càng ngày nhỏ gọn và tăng số lượng linh kiện tích hợp trên mỗi chip. Số lượng tăng kiến cho việc sản xuất sẽ rẻ hơn, tăng khả năng sản xuất hàng loạt. •19701980 Thập niên 70 80 công nghệ sản xuất IC trên thế giới có sự phát triển vượt bậc. Hàng loạt sản phẩm ra đời mang lại thay đổi lớn cho xã hội. Có thể nhắc tới đây là sự xuất hiện của CCD 8bit, DRAM 1103 (1000 memory cells), vi xử lý 4004 (2,200 transistor) mà đỉnh cao là các microprocessor của Intel. Ngày nay, công nghệ CMOS đã tiến đến nano, ngành sản xuất IC cũng như định luật Moore vẫn phát triển tuy nhiên có những sự thay đổi để phù hợp với xu thế chung của thể giới. 1.2.1.2 Khái niệm IC: Viết tắt của chữ Integrated circuit, gọi tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh) IC điều khiển là Vi mạch, hay vi mạch tích hợp, hay mạch tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. IC điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vàora, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số,... Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài. IC điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD,thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v 1.2.1.3 Phân loại: Dưới đây là một số họ IC điều khiển: Họ vi điều khiển AMCC (do tập đoàn Applied Micro Circuits Corporation sản xuất). Từ tháng 5 năm 2004, họ vi điều khiển này được phát triển và tung ra thị trường bởi IBM: Hình 1.2: Họ IC AMCC Họ vi điều khiển Atmel Hình 1.3 Họ IC Atmel Hình 1.4 Họ IC Freescale Semiconductor Hình 1.5 Họ IC Intel Hình 1.6 Họ IC Mcrochip Hình 1.7 Họ IC Philips Semiconductor Ở trong đề tài này em sử dụng 2 loại IC đó là 89S52 và 16F877A. IC 89S52 em dùng trong mạch Bluetooth HC05 điều khiển 5 thiết bị trong gia đình bằng Smartphone. Còn Pic 16F877A dùng trong mạch Sim900 để cảnh báo chống trộm cho gia đình, nhờ có khối cảm biến hồng ngoại mà IC sẽ nhận và xử lý tín hiệu và kích hoạt Sim900 gọi và nhắn tin cảnh báo chống trộm. 1.2.2 Các loại IC điển hình 1.2.2.1 IC điều khiển 89S52 1.2.2.1.1 Giới thiệu AT89S52 là họ IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. Các sản phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển. Việc xử lý trên byte và thực hiện các phép toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội. Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia. Nó cung cấp những hổ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển. AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 KByte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường IO, 3 TIMERCOUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ONCHIP. 1.2.2.1.2 Sơ đồ chân : Hình 1.8 : Sơ đồ chân IC89S52. 1.2.2.1.3 Chức năng của các chân IC 89S52 40 chân: Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm tắt như sau: 8 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghixoá. Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz, 3 mức khóa bộ nhớ lập trình, 3 bộ Timercounter 16 Bit 128 Byte RAM nội. 4 Port xuất nhập IO 8 bit. Giao tiếp nối tiếp. 64 KB vùng nhớ mã ngoài 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại. Port 0: từ chân 32 đến chân 39. Port 0 có 2 chức năng: trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO. Port 1: từ chân 1 đến chân 9 . Port 1 có chức năng là ghi WR, là port IO dùng cho giao tiếp với thiết bị bên ngoài nếu cần. Port 2: từ chân 21 đến chân 28. Port 2 là một port có tác dụng kép dùng như các đường xuấtnhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng. Port 3: từ chân 10 đến chân 17. Port 3 là port có tác dụng kép. có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các đặc tính đặc biệt của 89S52 1.2.2.2 IC điều khiển 16F877A ( PIC 16F877A ) 1.2.2.2.1 Giới thiệu Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số PORT IO là 5 với 33 pin IO. Các đặc tính ngoại vi bao gồmcác khối chức năng sau: Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep. Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler. Hai bộ Captureso sánhđiều chế độ rông xung. Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C. Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ. Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài. Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Hai bộ so sánh. Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như: Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần. Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần. Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm. Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân. Watchdog Timer với bộ dao động trong. Chức năng bảo mật mã chương trình. Chế độ Sleep. Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. 1.2.2.2.2 Sơ đồ chân : Hình 1.9: Sơ đồ chân PIC16F877A 1.2.2.2.3Chức năng của các chân Pic 16F877A : 5 port của PIC16F877A bao gồm: PORTA gồm có 6 chân. Các chân của PortA, ta lập trình để có thể thực hiện được chức năng “hai chiều” : xuất dữ liệu từ vi điều khiển ra ngoại vi và nhập dữ liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển. PORTB có 8 chân. Cũng như PORTA, các chân PORTB cũng thực hiện được 2 chức năng : input và output. Hai chức năng trên được điều khiển bới thanh ghi TRISB. Khi muốn chân nào của PORTB là input thì ta set bit tương ứng trong thanh ghi TRISB, ngược lại muốn chân nào là output thì ta clear bit tương ứng trong TRISB. PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên. PORTD có 8 chân. Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và output của PORTD tương tự như trên. PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port). PORTE có 3 chân. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE. Các chân của PORTE có ngõ vào analog. Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP. Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN ĐIỆN TỬ TRONG GIA ĐÌNH. 2.1 XÁC ĐỊNH YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH LINH KIỆN 2.1.1 Xác định yêu cầu thiết kế. Bài toán đặt ra ở đây là thiết kế một mạch điện mà dùng giao tiếp Bluetooth để điều khiển nhiều thiết bị khác trong gia đình. Ở đây là điều khiển những thiết bị trong gia đình như : quạt điện, đèn điện, cửa cuộn, tivi, điều hòa. Mạch sẽ xử lý biến đổi tín hiệu gửi qua sóng Bluetooth thành tín hiệu đầu vào để làm mã xác nhận điều khiển IC trung tâm để xuất ra các Port trạng thái ONOFF. Vậy để có được giao tiếp Bluetooth thì bắt buộc điện thoại và mạch điện phải có card Bluetooth. Như đã giới thiệu ở phần mở đầu tất cả các smartphone hiện nay đều có Bluetooth tích hợp trong máy cả phần cứng phần mềm đều được hỗ trợ đầy đủ. Vậy mạch điện của chúng ta thiết kế cũng cần phải có Module card Bluetooh, vì thế mà em chọn card Bluetooth HC05. Để mà IC có thể xử lý được tín hiệu qua sóng Bluetooth thì ta sẽ mã hóa nó thành dạng tín hiệu ở mức thấp (0) và mức cao (1) sau đó tín hiệu này sẽ được đưa vào IC, nó sẽ ngầm hiểu như lúc nào mức thấp thì ngắt mạch, lúc nào mức cao thì thông mạch. Trong khuôn khổ học đại học, em thấy IC89S52 là thích hợp vì có bộ nhớ chương trình lớn, dễ sử dụng và rất phổ biến. Khi nào IC89S52 phát hiện ra mã mà điện thoại mã hóa gửi sang qua Bluetooth thì nó sẽ thực hiện so sánh rồi đưa ra việc đóng hay mở port đó để ONOFF thiết bị. Vì tín hiệu ra quá nhỏ nên không thể đóng ngắt thiết bị được nên cần dùng đến Relay và Opto để điều khiển ONOFF cho thiết bị một các đơn giản và an toàn. 2.1.2 Phân tích linh kiện AT89S52: Đây là ứng dụng không quá phước tạp. Tốc độ thược hiện lệnh không đòi hỏi nhanh. Vi điều khiển này có bộ nhớ kiểu EPROM. Công suất tổn hao năng lượng thấp. Có chức năng xử lý tín hiệu được gửi từ card Bluetooh và đóng mở trạng thái ONOFF của các ngõ ra theo code lập trình để điều khiển các thiết bị. PIC 16F877A : Đây là ứng dụng không quá phước tạp. Tốc độ thược hiện lệnh không đòi hỏi nhanh. Vi điều khiển này có bộ nhớ kiểu EPROM. Công suất tổn hao năng lượng thấp. Có chức năng xử lý tín hiệu được gửi từ card Bluetooh và kích hoạt hoặc ngắt kết nối của Module sim900 để gọi và gửi SMS theo code lập trình để điều khiển các thiết bị. Mudule Bluetooth HC05 Tạo ra môi trường kết nối. Dễ sử dụng và khá ổn định. Tạo ra môi trường ghép nối giữa điện thoại và mạch điện thông qua sóng Bluetooth. Module Sim900 Thực hiện một cuộc gọi và gửi tin nhắn như điện thoại. Tốc độ thược hiện lệnh không đòi hỏi nhanh. Thực hiện việc kết nối hoặc ngắt kết nối với một thuê bao khác. Dùng để gọi và gửi SMS sang thuê bao khác, nhằm thông báo cảnh báo. Cảm biến hồng ngoại Phát hiện trộm thông qua sự mất liên tục bởi hồng ngoại. Chính xác và dễ dàng lắp đặt. Chức năng thực hiện gửi mã tích cực thấp và cao khi có và ngắt kết nối hồng ngoại từ bên thuphát. LCD16x2 Hiển thị màn hình cài đặt và các thông số trạng thái Công suất tổn hao năng lượng thấp. Hiển thị trạng thái của mạch, giúp ta quan sát để cài đặt và giám sát. Opto Bảo vệ thiết bị tránh dòng ngược. Nhỏ gọn và rất ổn định. Thiết bị dùng để tránh dòng ngược khi relay đóng mở, đảm bảo an toàn cho các thiết bị như IC trung tâm, động cơ….vv Relay Như một công tắc đóng ngắn. Tránh rủi do và nguy hiểm. Dùng làm khóa điện đóng mở tiếp điểm, để điều khiển thiết bị khác. Còi báo Phát ra tiếng kêu cảnh báo. Trong trường hợp có người xâm nhập vào nhà của mình. Ta đã biết Bluetooth là một công nghệ cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau mà không cần dây dẫn. Nó là một chuẩn kết nối và truyền dữ liệu trong các thiết bị điện tử, điều đó có nghĩa là các hãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầu của chuẩn này cho sản phẩm của mình. Những tiêu chuẩn kỹ thuật này đảm bảo cho các thiêt bị có thê nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ Bluetooth. Ngày nay phần lớn các nhà máy điện tử đều sản xuất các thiết bị có sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị này gồm có điện thoại di động, máy tính và thiết bị hỗ trợ cá nhân PDA (Prosonal Digital Assistant). Công nghệ Bluetooth là một công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bất cứ một thiết bị nào có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các thiết bị khác với một khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc phát và nhận sóng. Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa hai loại thiết bị khác nhau. Ví dụ: Bạn có thể hoạt động trên máy tính với một bàn phím không dây, sử dụng bộ tai nghe không dây để nói chuyện trên điện thoại di động của bạn hoặc bổ sung thêm một cuộc hẹn vào lịch biểu PDA của một người bạn từ PDA của bạn. 2.2 CÁC LOẠI GIAO TIẾP KHÔNG DÂY DÙNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN NAY 2.2.1 Các loại giao tiếp không dây dùng trong hệ thống điều khiển hiện nay 2.2.1.1 Tương tác qua sóng vô tuyến RF Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF: Radio Frequency) 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. Hình 2.1: Thiết bị điều khiển bằng sóng RF 2.2.1.2 Tương tác qua sóng Bluetooth Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, Hình 2.2: Sự tương tác thông qua sóng Bluetooth 2.2.1.3 Tương tác qua giao tiếp hồng ngoại Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 400.000nm đến 760.000nm, dài hơn bước sóng ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Hình 2.3 : Thiết bị điều khiển bằng sóng hồng ngoại 2.2.1.4 Giao tiếp gần NFC NFC (NearField Communications) là công nghệ kết nối không dây phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm, sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị khi có sự tiếp xúc trực tiếp hay để gần nhau. Hình 2.4 : Giao tiếp gần NFC 2.2.1.5 Giao tiếp thông qua mạng di động có dây Hình 2.5 : Điện thoại cố định có dây Trong những loại giao tiếp dùng trong hệ thống điều khiển trên em chọn Bluetooth vì nó đơn giản dễ dùng và rất đơn giản thiết kế. Với phạm vi hộ gia đình thì thiết bị hoạt động rất ổn định. 2.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth 2.2.2.1 Khái niệm Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử. Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area NetworkPANs). Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mbs. Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m. Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz. Thuật ngữ Bluetooth (có nghĩa là răng xanh) được đặt theo tên của một vị vua Đan Mạch, vua Harald Bluetooth, người Viking nổi tiếng về khả năng giúp mọi người có thể giao tiếp, thương lượng với nhau. Vào thế kỷ thứ 10, chính vị vua này đã mang đạo Tin Lành vào Đan Mạch trong khi Ericsson là công ty đầu tiên phát triển đặc tả cho công nghệ hiện đang ngày càng thông dụng trong cuộc sống hiện đại. 2.2.2.2 Lịch sử phát triển Bluetooth 1.0 (71999): Phiên bản đầu tiên được đưa ra thị trường với tốc độ kết nối ban đầu là 1Mbps. Tuy nhiên, trên thực tế tốc độ kết nối của thế hệ này chưa bao giờ đạt quá mức 700Kbps. Bluetooth 1.1 (2001): Đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ Bluetooth trên nhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm của nhiều nhà sản xuất mới. Bluetooth 1.2 (112003): Bắt đầu có nhiều tiến bộ đáng nể. Chuẩn này hoạt động dựa trên băng tần 2.4GHz và tăng cường kết nối thoại. Bluetooth 2.0+ERD (2004): Bắt đầu nâng cao tốc độ và giảm thiểu một nửa năng lượng tiêu thụ so với trước đây. Tốc độ của chuẩn Bluetooh lên đến 2.1 Mbps với chế độ cải thiện kết nối truyền tải – ERD (Enhanced datarate). Bluetooth 2.1+ERD (2004): Đây chính là thế hệ nâng cấp của Bluetooth 2.0 có hiệu năng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Bluetooth 3.0+HS (2008): Có tốc độ truyền dữ liệu đạt mức 24Mbps – bằng sóng Bluetooth – High Speed, tương đương chuẩn kết nối dữ liệu. Bluetooth 4.0 (30062010): Chuẩn Bluetooth mới nhất hiện nay. Bluetooth 4.0 là sự kết hợp của “classic Bluetooth’’ (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth high speed’’ (Bluetooth 3.0+HS) và “Bluetooth low energy’’Bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Smart ReadyBluetooth Smart).” “Bluetooth low energy’’ là một phần của Bluetooth 4.0 với giao thức tiêu chuẩn của Bluetooth 1.0 và 4.0 nhằm phục vụ cho những ứng dụng năng lượng cực thấp. Hầu hết mọi người đã quen thuộc với tai nghe Bluetooth, nhưng thực tế là nó có thể làm được nhiều hơn vậy. Bluetooth cho phép kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị như điện thoại di động, điện thoại cố định, máy tính bảng, máy tính xách tay, máy in, thiết bị định vị dùng GPS, máy ảnh số, và thiết bị chơi game cầm tay. Tất cả đã cho thấy kết nối này Bluetooth đang dần trở thành phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Để ghép hai thiết bị Bluetooth với nhau, bạn phải “pair” (kết đôi) chúng với nhau. Ví dụ, bạn có thể ghép chuột Bluetooth và máy tính, tai nghe với điện thoại hay điện thoại với laptop.Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm: + Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe không dây. + Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ít băng thông. + Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn như chuột, bàn phím và máy in. + Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao thông. + Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại. + Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các panô quảng cáo tới các thiết bị dùng Bluetooth khác. + Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử. + Kết nối Internet cho máy tính bằng cách dùng điện thoại di động thay modem. 2.2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Card Bluetooth HC05 2.2.2.3.1 Cấu tạo Module Bluetooth HC05 gồm 2 IC là Max3232 và BCM HC05 Hình 2.6 : Cấu tạo của Module card Bluetooth 2.2.2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật Chuẩn Bluetooth: V2.0+ERD. Điện áp hoạt động: 3.35VDC, 30mA. Kích thước 28mm X15mm X2.35mm. Tần số: 2.4GHz. Tốc độ: 2.1Mbs (Max)160kbps Tốc độ baudrate mặc định 9600, 8 bít dữ liệu, 1 bít Stop. Hỗ trợ tốc độ baud: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800. Nhiệt độ làm việc: 20 ~75 độ C. Độ nhạy: 80dBm 2.1. Mudule có 2 chế độ làm việc: Kết nối truyền thông. Đáp ứng theo lệnh: khi làm việc ở chế độ này, chúng ta có thể gửi các lệnh AT để giao tiếp và cài đặt module. 2.2.2.3.3 Nguyên lý hoạt động Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nối thiết bị cá nhân hay mạng cục bộ nhỏ trong phạm vi băng tan từ 2.4GHz đến 2.485GHz. Bluetooth được thiết kế hoạt động trên 79 tần số đơn lẻ. Khi kết nối, nó sẽ tự động tìm ra tần số tương thích để di chuyển đền thiết bị cần kết nối trong khu vực nhằm đàm bảo sự liên tục. Chế độ hoạt động Ở chê độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dò tìm module sau đó nhập với mã PIN là 1234. Sau khi đăng nhập thành công, bạn đã có 1 cổng nối tiếp (serial) từ xa hoạt động ở tốc độ truyền (baud rate) 9600. Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1 module bluetooth HC06. HC05, usb bluetooth, bluetooth của laptop…) và tiến hành pair chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone. Module bluetooth HC05 có nhiều chức năng Module bluetooth HC05 được điều khiển bằng tập lệnh AT để thực hiện các tác vụ mong muốn. Để bluetooth module chuyển từ chế độ thông thường qua điều khiển bằng lệnh AT, ta có 2 cách như sau: Cấp nguồn cho module bluetooth (Vcc và Gnd) đồng thời cấp mức điện áp cao (=Vcc) cho chân KEY của module bluetooth. Khi đó giao tiếp bằng tập lệnh AT với module bằng cổng Serial (Tx và Rx) với baud rate là 38400. (khuyên dùng) Cấp nguồn cho module bluetooth trước, sau đó cấp mức điện áp cao cho chân KEY của module bluetooth. Lúc này bạn có thể giao tiếp với module bằng tập lệnh AT với baud rate là 9600. Sau khi pair thành công với thiết bị bluetooth khác, đèn trên module bluetooth HC05 sẽ nhấp nháy chậm cho thấy kết nối Serial đã được thiết lập. 2.2.2.3.4 Ưu nhược điểm của công nghệ Bluetooth 2.2.2.3.4.1 Ưu điểm Tiêu thụ năng lượng thấp. Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị bao gồm các thiết bị cầm tay và điện thoại di động. Giá thành ngày một giảm. Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến l00m. Bluetooth sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tới đa lMbps mà các thiết bị không cần phải trực tiếp thấy nhau. Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này với một ứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng. Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ. 2.2.1.3.4.2 Nhược điểm Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác. Chỉ kết nối được hai thiết bị với nhau, không kết nối thành mạng. Bắt sóng khi có vật cản kém. Tốc độ thấp, khoảng 720kbps trung bình. 2.2.3 Ứng dụng của Mudule Bluetooth HC05 Truyền tải dữ liệu không dây giữa thiết bị di động và máy tính Chúng ta có thể ghép nối dễ dàng smartphonetablet với một chiếc laptop thông qua Bluetooth nhằm mục đích gửi các tập tin qua lại. Hình 2.7 : Truyền tải tệp tin qua Bluetooth giữa các thiết bị có Bluetooth Truyền tải tập tin giữa các máy tính Hai máy tính được kích hoạt kết nối Bluetooth cũng có thể truyền tải dữ liệu cho nhau giống như giữa máy tính và điện thoại. Với những tập tin có kích thước vừa phải, bạn sẽ không cần phải sử dụng đến các đoạn cáp kết nối nữa. Hình 2.8 : Truyền tải tệp tin giữa máy tính và điện thoại Chia sẻ kết nối mạng qua Bluetooth Một tính năng thú vị của Bluetooth là cho phép người dùng chia sẻ kết nối mạng internet của thiết bị này với một thiết bị khác. Thông thường, “Tethering” qua Bluetooth được sử dụng để vào mạng trên laptop thông qua kết nối internet của smartphone. Hình 2.9 : Chia sẻ mạng qua Bluetooth Kết nối các thiết bị ngoại vi Ngày nay, Bluetooth thường được sử dụng rất nhiều để kết nối các thiết bị ngoại vi cho smartphone, tablet hoặc laptop. Dưới đây là một số thiết bị ngoại vi mà bạn có thể kết nối không dây qua Bluetooth. Tai nghe: Tai nghe Bluetooth là sản phẩm đặc thù được sử dụng cực kỳ phổ biến đặc biệt khi đi kèm với smartphone. Ghép nối tai nghe với điện thoại giúp bạn có thể sử dụng để đàm thoại trong khi lái xe và không thấy vướng víu như các mẫu tai nghe có dây trước đây. Các nút bấm tích hợp sẵn trên tai nghe cũng có chức năng trả lờigác máy, do đó bạn gần như không cần thao tác trên điện thoại nữa. Smartwatch: Đồng hồ thông minh hiện nay đa phần cũng đều sử dụng Bluetooth hoặc NFC để kết nối với smartphone. Từ đó, smartwatch có thể nhận được những thông báo về tin nhắn, cuộc gọi đến, mạng xã hội từ điện thoại một cách nhanh chóng Chuột: Chuột Bluetooth có thể hoạt động với các model laptop, tablet và thậ