Đồ án Điều khiển thiết bị điện tử bằng androi thông qua Bluetooth

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Bộ Môn Viễn Thông

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

Điều khiển thiết bị điện tử bằng

androi thông qua Bluetooth

Giáo Viên Hướng Dẫn: TS.Huỳnh Phú Minh Cường

Sinh Viên Thực Hiện:

Nguyễn Thanh Phúc

Nguyễn Hoàng Ni

41204765

41004193

Tp.Hồ Chí Minh,Ngày 20 Tháng 6 năm 2017

Page 1

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

Trường Đại Học Bách Khoa Hồ Chí Minh

Khoa Điện Điện - Tử

Điều khiển thiết bị điện tử

bằng androi thông qua

Bluetooth

Giáo Viên Hướng Dẫn: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Sinh Viên Thực Hiện: Nguyễn Thanh Phúc 41204765

Nguyễn Hoàng Ni

41004193

Page 2

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

LỜI CẢM ƠN

- Đồ án là tiền đề nhằm trang bị cho sinh viên những kĩ năng nghiên cứu, những

kiến thức quan trọng trước khi bắt tay vào thực tập và làm luận văn.

- Trước hết chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Điện – Điện Tử,

đặc biệt các thầy cô trong bộ môn Viễn Thông đã tận tình chỉ dạy và trang bị

cho chúng em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên giảng

đường làm nền tảng cho việc thực hiện đồ án này.

-

Xin trân trọng cảm ơn thầy Huỳnh Phú Minh Cường đã tận tình giúp đỡ giúp

em giải quyết được những khúc mắc để có thể hoàn thành đồ án này.

Page 3

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

NHẬN XÉT

Của giảng viên

……………………………………………………………………………………………………………

Ngày ..20.. tháng .6. năm 2017

Page 4

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

Mục Lục

I)Giới thiệu………………………………………………….1

1) Tóm tắt nội dung

2) Mở đầu

3) Tìm hiểu công Nghệ không dây Bluetoot

4) Phương phá và đối tượng nghiêm cứu

II)Thiết kế hệ thống………………………………………….2

1) Sơ đồ khối………………………………………….2

2) Mô hình thực tế……………………………………2

A) Khối Nguồn…………………………………….2

B) Khối module bluetoot…………………………3

C) Khối vi điều khiển Arduino…………………...4

1) Thông số kỹ thuật Arduino……………….4

2) Chức năng các bộ phận Arduino………..5

D) Khối Replay…………………………………….7

E) Khối công tắc…………………………………..8

F) Khối Androi……………………………………..8

III) Hoạt động của hệ thống……………………………….9

1) Nguyên lý hoạt động của hệ thống……………....9

2) Sơ đồ giải thuật……………………………………10

A) Sơ đồ giải thuật hệ thống…………………….10

B) Sơ đồ giải thuật android………………………11

IV) Điều khiển động cơ……………………………………12

1) Giới thiệu…………………………………………..12

A) Động cơ bước………………………………...12

B) Mạch cầu H……………………………………13

2) Nguyên lý hoạt động……………………………..14

3) Mạch cầu HL298………………………………….15

4) Sơ đồ giải thuật điều khiển động cơ……………16

5) Giải thuật đóng cửa………………………………17

6) Giải thuật mở cửa………………………………..18

V) Kết quả và kết luận…………………………...19

Tài liệu tham khảo………………………………..20

Page 5

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

I)Giới thiệu

1) Tóm tắt nội dung

Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện tử đã

làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện. Các thiết bị thông minh đã ngày

càng được ứng dụng vào cuộc sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người. Đặc biệt,

smartphone đã trở thành một phần quen thuộc trong cuộc sống thường nhật của mỗi cá

nhân và nhu cầu ứng dụng các ứng dụng của smartphone vào đời sống ngày càng thiết

thực. Vì vậy với nhu cầu thông minh hóa các thiết bị điện tử trong đời sống hằng ngày

bài viết này chúng em sẽ trình bày một cách ngắn gọn một ứng dụng trong thực tế điều

khiển thiết bị bằng điện thoại Android qua sóng Bluetooth để nâng cao chất lượng cuộc

sống con người và đáp ứng các nhu cầu ngày càng mạnh mẽ trong thời đại công nghệ

số.

2) Mở đầu

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học công nghệ, vi điều khiển AVR và vi

điều khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn, nhưng có thể nói sự xuất hiện

của Arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển. Sự

xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế, mà

không cần quá nhiều kiến thức về vi xử lý, Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp

nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở. Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô

cùng dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C và hệ thư viện rất phong phú và được chia

sẻ miễn phí. Chính vì những lý do như vậy nên Arduino hiện đang dần phổ biến và được

phát triển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới. Trong đề tài mô hình được đề cập là

Master/Slaver, trong đó điện thoại đóng vai trò là Master, Kit Arduino đóng vai trò Slaver.

Khoảng cách truyền trong mạng này là khỏang 20m, đó cũng là mặt hạng chế của sóng

Bluetooth. Tuy nhiên với khoảng cách này là đủ để Bluetoot được ứng dụng trong điều

khiển các thiết bị gia dụng trong gia đình.

3) Tìm hiểu công nghệ không dây Bluetoot

Bluetooth là một công nghệ không dây cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau.

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.

4) Phương pháp và đối tượng nghiêm cứu của đề tài

Phương Pháp nghiêm cứu:

-

Tham khảo tài liệu : các tài liệu liên quan, tìm kiếm tài liệu trên internet.

Tự tiến hành thiết kế ,thi hành mô phỏng trên máy tính. Xác định lỗi và thi hành

làm phần cứng.

-

Viết code theo hướng dẫn của tài liệu tham khảo và thực hiện nạp thực nghiệm

trên phần cứng.

Đối tượng nghiêm cứu:

Trong đề tài này chúng ta nghiêm cứu về Modul Bluetoot HC06, kết nối với vi điều

khiển là Arduino và được điều khiển qua Androi để điều khiển các thiết bị điện dân

dụng hằng ngày.

Page 1

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

II) Thiết Kế Hệ Thống

1) Sơ đồ khối:

2) Mô hình trong thực tế:

A) Khối nguồn

Khối nguồn tạo ra dòng điện và điện thế ổn định cung cấp an toàn cho cả mạch. Do

dùng nguồn 5V DC nên ta dùng bốn diode để chỉnh lưu dòng xoay chiều đi qua và IC ổn

áp 7805 để tạo nguồn 5v cung cấp cho mạch.

Page 2

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

B) Khối Module Bluetoot HC-06

-

Module Bluetooth SLAVE cho phép vi điều khiển kết nối với các thiết bị ngoại vi:

smartphone, laptop, usb bluetooth... thông qua giao tiếp Serial gửi và nhận tín

hiệu 2 chiều. Module bluetooth được tích hợp trên board cho phép bạn sử dụng

nguồn từ DC 3.5 - 5V.

-

Module Bluetooth SLAVE cho phép vi điều khiển kết nối với các thiết bị ngoại vi:

smartphone, laptop, usb bluetooth... thông qua giao tiếp Serial gửi và nhận tín

hiệu 2 chiều.

Module bluetooth được tích hợp trên board cho phép bạn sử dụng nguồn từ

3.5V đến 6V cung cấp cho board mà không cần lo lắng về chênh lệch điện áp 3V

- 5V gây hỏng board.

Module Bluetooth gồm 6 chân theo thứ tự: KEY, VCC, GND, TX, RX,

STATE.Đây là module bluetooth SLAVE nghĩa là bạn không thể chủ động kết nối

bằng vi điều khiển, mà cần sử dụng smartphone, laptop, bluetooth usb... để dò

tín hiệu và kết nối (pair) từ smartphone, laptop, bluetooth usb... Sau khi pair

thành công, bạn có thể gửi và nhận tín hiệu từ vi điều khiển đến các thiết bị này.

Không được gắn lộn dây Vcc và Gnd vì sẽ gây hỏng module bluetooth ngay lập

tức.Mặc định, module bluetooth SLAVE sử dụng baud rate là 9600, PIN là 1234.

Bạn có thể tùy chỉnh baud rate bằng tập lệnh AT .Bluetooth module SLAVE có

thể dễ dàng kết nối với các dòng smartphone Android thông qua thư

viện AMARINO.

-

Modul Bluetooth HC06: được thiết kế để chuyển đổi giao tiếp nối tiếp không đồng

bộ và thành giao tiếp không dây Bluetooth và ngược lại.

•

Cấu hình Slave là cấu hình ban đầu, không thay đổi được

Sử dụng chip CSR Bluetooth V2.0

•

Điện áp sử cho 3.3V ( Hỗ trợ IC ổn áp đầu vào 5V)

Thứ tự chân: STATE RXD TXD GND VCC WAKEUP

Tốc Độ Hỗ Trợ: 200，2400，4800，9600,19200，38400，57600，115200

Kích thước Module: 28mm x 15 mm x 2.35mm

Dòng hoạt động: 20-30mA

Tần số: 2.4GHz ISM band

Tốc độ:

+ Asynchronous: 2.1Mbps(Max)/160kbps

+ Synchronous: 1Mbps/1Mbps

•

Bảo mật: Authentication and encryption

Giao tiếp: Bluetooth serial port

Nhiệt độ làm việc: -20 ~ 75 độ C

Page 3

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

•

Độ nhạy: -80dBm 2.1.

Module 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.

-

Chức năng từng chân của modul hc -06:

• Chân UART_TXD có chức năng truyền dữ liệu tới chân RXD, nối với chân

RXD của vi điều khiển.

• Chân UART_R XD chức năng nhận dữ liệu từ chân TXD truyền tới, nối với

chân TXD của vi điều khiển.

• Chân VCC sử dụng nguồn áp 3.3 V,dải áp hoạt động từ 3.0V -> 4.2V

• Chân GN

C) Khối Vi Điều Khiển Arduino

1. thông số kỹ thuật của arduino

Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

Tần số hoạt động

Dòng tiêu thụ

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

16 MHz

khoảng 30mA

7-12V DC

6-20V DC

Điện áp vào khuyên dùng

Điện áp vào giới hạn

Số chân Digital I/O

Số chân Analog

14 (6 chân hardware PWM)

6 (độ phân giải 10bit)

Page 4

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

Dòng ra tối đa (5V)

30 mA

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

Bộ nhớ flash

SRAM

50 mA

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1

KB (ATmega328)

2. Chức năng từng bộ phận của Arduino

Vi điều khiển

-

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,

ATmega328. Vi điều khiển này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển

đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ -

độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD.

-

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển cung cấp cho người

dùng:

•

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash

của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho

bootloader

•

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập

trình sẽ lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM.

EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như

một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không

phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.

-

Các chân năng lượng

Page 5

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

•

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các thiết bị

sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, khi nối cực dương của

nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

•

-

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở

chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân

này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc

chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Các cổng vào/ ra

• Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức

điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều

có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc

định thì các điện trở này không được kết nối).Có các chức năng đặc, một số chân

digital biệt như sau:

• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX)

dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân

này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu

không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân

giải 8bit (giá trị từ 0 → 2⁸-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói

một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V

đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức

năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI

với các thiết bị khác.

• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút

Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi

chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.

• Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 →

2¹⁰-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn

có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn

cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp

trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.

• Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với

các thiết bị khác.

Page 6

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

-

Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên máy tính

nhưng nếu không có thì ta có thể dùng nguồn này khoảng 9v đến 12v.

-

Cổng USB : đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điểu khiển. Đồng

thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểu khiển với máy tính. Đây

cũng là nguồn cấp cho Arduino.

D) Khối Relay

-

Thiết kế bảo vệ sử dụng opto cách ly với mạch điều khiển. Dễ dàng điều khiển bởi

hầu hết các dòng vi điều khiển Arduino, 8051, AVR, PIC, DSP, ARM, PLC, MSP430,

TTL, logic ...

Relay hiệu suất cao: 250VAC/10A; 30VDC/10A. Mỗi kênh chỉ cần dòng 15-20mA để

điều khiển Relay được tác động ở mức thấp (LOW)

Page 7

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

-

Khối Công suất gồm: Rơle 5V.

Relay là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điều

khiển một dòng lớn vì vậy nó được dùng để bảo vệ công tắc nên cũng được xem là

một thiết bị bảo vệ. Một Relay điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển nguồn.

Kết cấu relay gồm có một lõi sắt, một cuộn từ và một tiếp điểm.

E) Khối công tắc

Công tắc 3 cực làm nhiệm vụ kết hợp cới relay 3 chân, cho việc điều khiển các thiết bị

cơ động hơn.Tạo mối liên kết chặt chẽ giữa phần mềm điều khiển trên điện thoại và

thao tác phần cứng. Điều khiển bằng tay và điều khiển bằng phần mềm.

F) Khối Androi

Ở đây chúng em sử dụng phần mềm Arduino Bluetoot có sẵn trên CHplay.

- Arduino Bluetooth là ứng dụng điều khiển thiết bị cho phép bạn điều khiển các thiết

bị điện khác nhau lên đến tám thiết bị và kiểm soát độc lập.

- Sử dụng thiết bị di động Android Bluetooth để điều khiển từ xa thiết bị của bạn với

Serial Module Bluetooth và Arduino .

- Có thể thiết lập Timer để ON / OFF thiết bị và hiển thị đồng hồ đếm ngược ( Timer

có thể được thiết lập để 1 phút , 15 phút , 30 phút, 1 giờ, 2 giờ , 4 giờ) . .

Page 8

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

III) Hoạt động của hệ thống

1) Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Đầu tiên, khởi động phần mềm Android "Điều khiển thiết bị". Phần mềm xuất hiện

thông báo bạn có muốn bật bluetooth không (yes or no). Click yes để bật bluetooth

và thực hiện tự động kết nối đến module bluetooth.

-

Phần mềm tự động lấy địa chỉ Mac của Module Bluetooth (nhập vào khi lập trình).Khi

kết nối thành công phần mềm hiện thị Toast thông báo là đã kết nối.

Phần mềm gồm 8 Button dùng để điều khiển bật tắt 8 thiết bị trong nhà và 1 seekbar

dùng để điều động cơ cửa hoặc độ rông mở cửa. Phần cứng còn kết nối với các

công tắc 3 cực để bật hoặc tắt thiết bị( bật bằng công tắc và tắt bằng điện thoại hoặc

tắt bằng điện thoại và bật bằng công tắc), phòng trường hợp điện thoại hết pin hay bị

trục trặc.

-

Khi bật thiết bị: Khi click vào một button thì phần mềm android sẻ gởi gói tin (chứa

lệnh mở thiết bị) thông qua thiết bị Bluetooth của điện thoại đến Module Bluetooth

HC-06. Lúc này Module Bluetooth HC-05 sẽ nhận gói tin và truyền về module

Arduino để đưa tín hiệu ra đóng các Opto làm cấp điện cho các Relay đóng.

Khi tắt thiết bị: Khi click một lần nữa vào một button thì phần mềm android sẻ gởi gói

tin (chứa lệnh đóng thiết bị) thông qua thiết bị Bluetooth của điện thoại đến Module

Bluetooth HC-06. Lúc này Module Bluetooth HC-06 sẽ nhận gói tin và truyền về

module Arduino để đưa tín hiệu ra mở các Opto làm mất điện cho các Relay mở.

Page 9

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

2) Sơ đồ giải thuật

A) Giải thuật trên Androi

start

Hiển thị” Ứng dụng

muốn bật Bluetoot”

No

Đóng ứng

dụng

Chọn

yes/no

Yes

Nếu lần đầu mở úng dụng thì

nhập pass

No

Tìm thiết bị

Bluetoot

Yes

Kết nối với module Bluetoot

No

Có Botton

được chọn?

Yes

Ứng dụng sẽ gửi đi các ký tự “ tắt ứng với

chữ cái thường(a,b,c…),mở với chữ

hoa(A,B,C..)” đến Arduino để tiến hành

lệnh tương ứng

End

Page 10

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

B) Giải thuật trên Arduino

start

Kết nói serial port, khởi tạo

giá trị USART, và định

dạng biến

Kết nối module bluetoot

và các thiết bị điện

No

Nhận được “ký

tự” tự module

Bluetoot

Yes

Tiến hành so sánh và tiến nhanh đưa ra lệnh

thực hiện chứ năng tương ứng với ký tự

nhận được đã định danh ở khai báo

Thực hiện lệnh?

Lệnh điều khiển thiết lập tại các

cổng out tương ứng nói với các thiết

bị

stop

Page 11

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

IV) Điều khiển động cơ

1) Giới thiệu

A) Động cơ bước

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng

có loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam

châm vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai

loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động

cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor

của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm

thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có

thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có

3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường

có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được dùng

trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực. Động cơ bước phong phú về góc

quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động

cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với

một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều

có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các

phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước. Đối với cả động cơ nam châm vĩnh

cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor

(ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó

cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque)

của động cơ.

Loại động cơ sử dụng trong đề tài là loại nam châm vĩnh cửu 4 đầu dây 2 pha.

Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu;

Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều

khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động

cơ này được nêu bên dưới, dùng + và ‐ để đại diện cho các cực của nguồn

áp được áp vào mỗi đầu của động cơ.

Page 12

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

B) Mạch cầu H

Giả sử bạn có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một

nguồn điện DC (ắc qui điện – battery). Ai cũng biết rằng nếu nối A với cực (+), B

với cực (-) mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực đấu

dây (A với (-), B với (+)) thì động cơ sẽ đảo chiều quay. Tất nhiên khi bạn là một

“control guy” thì bạn không hề muốn làm công việc “động tay động chân” này

(đảo chiều đấu dây), bạn ắt sẽ nghĩ đến một mạch điện có khả năng tự động

thực hiện việc đảo chiều này, mạch cầu H (H-Bridge Circuit) sẽ giúp bạn. Như

thế, mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối

tượng. Tuy nhiên, rồi bạn sẽ thấy, mạch cầu H không chỉ có một tác dụng “tầm

thường” như thế. Nhưng tại sao lại gọi là mạch cầu H, đơn giản là vì mạch này

có hình chữ cái H.

2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động cơ DC mà

chúng ta cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là

cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành

phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2

(L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không

hoạt động.

Page 13

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

2) Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

Giả sử bằng cách nào đó (cái cách nào đó chính là nhiệm vụ của người thiết

kế mạch) mà 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), bạn dễ

dàng hình dung có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và

xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó trước khi qua khóa R2 và về GND

(như hình 2a). Như thế, với giả sử này sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng

theo chiều từ A đến B. Bây giờ hãy giả sử khác đi rằng R1 và L2 đóng trong

khi L1 và R2 mở, dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối

tượng theo chiều từ B đến A như trong hình 2b (V->R1->B->A->L2->GND).

Vậy là đã rõ, chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua

một “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ) bằng “một cách nào

đó”.

Chuyện gì sẽ xảy ra nếu ai đó đóng đồng thời 2 khóa ở cùng một bên (L1

và L2 hoặc R1 và R2) hoặc thậm chí đóng cả 4 khóa? Rất dễ tìm câu trả lời,

đó là hiện tượng “ngắn mạch” (short circuit), V và GND gần như nối trực tiếp

với nhau và hiển nhiên ắc qui sẽ bị hỏng hoặc nguy hiểm hơn là cháy nổ

mạch xảy ra. Cách đóng các khóa như thế này là điều “đại kị” đối với mạch

cầu H. Để tránh việc này xảy ra, người ta thường dùng thêm các mạch logic

để kích cầu H. Phần này không đề cập ở đây.

Giả thuyết cuối cùng là 2 trường hợp các khóa ở phần dưới hoặc phần

trên cùng đóng (ví dụ L1 và R1 cùng đóng, L2 và R2 cùng mở). Với trường

hợp này, cả 2 đầu A, B của “đối tượng” cùng nối với một mức điện áp và sẽ

không có dòng điện nào chạy qua, mạch cầu H không hoạt động. Đây có thể

coi là một cách “thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác

dụng). Nói chung, chúng ta nên tránh trường hợp này xảy ra, nếu muốn

mạch cầu không hoạt động thì nên mở tất cả các khóa thay vì dùng trường

hợp này.

Sau khi đã cơ bản nắm được nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, phần

tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát cách thiết kế mạch này bằng các loại linh kiện

cụ thể. Như tôi đã trình bày trong phần trước, thành phần chính của mạch

cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ

thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công

suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế.

Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le

Page 14

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI ANDROID QUA SÓNG BLUETOOTH

(relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide

Semiconductor Field-Effect Transistor). Phần thiết kế mạch cầu H vì vậy sẽ

tập trung vào 3 loại linh kiện này. Trong mỗi cách thiết kế, tôi sẽ giải thích

ngắn gọn nguyên lý cấu tạo và hoạt động của từng loại linh kiện để bạn đọc

dễ nắm bắt hơn.

3) Module mạch cầu HL298

Bên trong được tích hợp 2 mạch cầu H. Chúng ta sẽ dùng nó để điều khiển động

có bước

Chân cấp nguồn +12V power và GND power. Để module hoat động thì cần nối

jum A Enable và B Enable như hình. Để điều khiển động cơ ta nối chân OUTA

vào pha A của động cơ bước (OUT1-> 1a , OUT2->1b). OUTB vào pha B của

động cơ bước (OUT3-> 2a , OUT4->2b).

Chân 4 chân INPUT (IN1->IN4) nối lần lượt tương úng với chân 4-5-6-7 của

anduino

Ta kích chân IN1-IN2=01 hoặc 10 thì đầu OUT1=12V, OUT2=0v hoặc OUT1=0V,

OUT2=12V

Có nghĩa OUT 1-OUT2 sẽ đổi chiều âm dương mỗi khi ta kích 01, 10. Tương tự

chân IN3-IN4, và OUT3-OUT4 tương tự như vậy.

4) Giải thuật điều khiển động cơ

Lúc khởi động mạch thì điều khiển động cơ kéo thanh trượt vị trí về 0, bằng cách

đọc liên tục tiếp điểm, nối vào chân số 3 của anduino; nếu thanh trượt về vị trí 0

nó sẽ đụng tiếp điểm, làm cho chân số 3 xuống mức logic 0. Ta kích dừng động

cơ lại.

Trong vòng lặp chính, đọc kí tự từ UART , kiểm tra xem nếu kí tự ‘m’ mà trước

đó cửa đang đóng thì thực hiện mở, nếu cửa đang mở trước đó thì không làm gì

cả. Tương tự với kí tự ‘d’ ta cũng kiểm tra cờ flag và thực hiện đóng cửa hoặc

không.

Page 15