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