Tài liệu Thiết kế và điều khiển led rgb chuyển đổi 3 màu sử dụng esp8266 bằng wifi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VĂN HIẾN KHOA : KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN LED RGB GVHD ths: NGUYỄN THIỆN THÔNG HCM, NGÀY 27 THÁNG 04 NĂM 2018 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................................1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI.....................................................................................................................................2 CHƯƠNG 1 :XÂY DỰNG Ý TƯỞNG.......................................................................................................3 1.1.Lý do chọn đềề tài ...............................................................................................................................3 1.2. Mục đích nghiền cứu........................................................................................................................4 1.3.Đối tượng nghiên cứu......................................................................................................................4 1.4.Nhiệm vụ nghiên cứu.......................................................................................................................4 1.5.Phương pháp nghiên cứu................................................................................................................4 1.6.Các kết quả đạt được của đề tài......................................................................................................4 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ ESP8266................................................................................................5 2.1. Giới thiệu ESP8266..........................................................................................................................5 2.2. Cấấu trúc phấền cứng của dòng chip ESP82 .........................................................................................5 2.3. Cài dặt..............................................................................................................................................7 2.4. Sơ đồề chấn và các chức năng..........................................................................................................10 2.5. Thồng sồấ kỹỹ thuật...........................................................................................................................10 2.6. Sơ đồề..............................................................................................................................................11 2.7. Quá trình nạp code........................................................................................................................11 2.8 Sơ đồề khồấi........................................................................................................................................13 CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ LED RGB..............................................................................................14 3.1. Giới thiệu vềề LED RGB....................................................................................................................14 3.2. Cơ sở sinh học.................................................................................................................................15 3.3. RGB và hiển thị...............................................................................................................................15 3.4. Biểu diềỹn dạng sồấ 24 bit.................................................................................................................15 CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG..................................................................................................16 4.1. ESP8266..........................................................................................................................................16 4.2. Kềất nồấi............................................................................................................................................17 4.3. Lưu đồề giải thuật............................................................................................................................18 CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG..............................................................................19 5.1 Thiềất kềấ giao diện............................................................................................................................19 5.2. Code...............................................................................................................................................21 CHƯƠNG 6 : QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN................................................................................................31 6.1. Các linh kiện sử dụng.....................................................................................................................31 6.2. Sơ đồề kềất nồấi dấỹ thực tềấ...............................................................................................................32 CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN........................................................................................................................33 7.1 . Ưu điểm của đềề tài:......................................................................................................................33 7.2. Nhược điểm của đềề tài:.................................................................................................................33 7.3. Hướng phát triển:...........................................................................................................................33 Tài liệu kham khảo....................................................................................................................................34 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước. Những thiết bị điện,điện tử được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rỗng rãi trong đời sống cũng như sản suất. Từ những thời gian đầu phát triển vi xử lý đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm. Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người. Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn vi xử lý, sau một thời gian học tập được các thầy cô trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa Điện tử -Viễn thông, cùng với sự lỗ lực của bản thân, chúng emđã quyết định chọn đề tài “thiết kế và điều khiển led RGB chuyển đổi 3 màu sử dụng ESP8266 bằng wifi” Trong quá trình thực hiện đề tài này , dù rất cố gắng nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của em còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót. Nhóm em rất mong nhận được những đóng góp, phê bình,chia sẻ của thầy và các bạn để các đề tài tiếp theo của nhóm sẽ hoàn thiện hơn . Chúng em chân thành cảm ơn thầy ! 1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài là điều khiểm LED RGB làm chuyển đổi 3 màu sử dụng ESP8266 thông qua wifi. Đề tài này sẽ được thực hiện theo đúng quy trình thiết kế kĩ thuật gồm 9 bước: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Xây dựng ý tưởng Mô tả sản phẩm Lập kế hoạch Thiết kế sơ đồ khối Thiết kế chi tiết từng khối Lựa chọn phương án tối ưu Kiểm tra Chế tạo sản phẩm Bàn giao sản phẩm 2 CHƯƠNG 1 :XÂY DỰNG Ý TƯỞNG 1.1.Lý do chọn đề tài . Ngày nay, khoa học kỹ thuật đã và đang phát triển một cách vô cùng mạnh mẽ. Cùng với đó là những đòi hỏi, yêu cầu ngày càng cao từ phía người sử dụng. Để xã hội văn minh, phát triển và hiện đại hơn thì đòi hỏi cần phải có nhiều thiết bị thông minh ra đời. Một thiết bị thông minh có thể hoạt động độc lập, người dùng có thể giám sát, điều khiển được chúng ở bất kỳ đâu và chúng có thể kết nối với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh. Là một sinh viên ngành kỹ thuật điện tử truyền thông cần phải biết được nhu cầu của người sử dụng, nắm bắt và vận dụng được các công nghệ kỹ thuật tiên tiến để áp dụng vào đời sống, góp phần làm cho xã hội phát triển hơn. Như chúng ta đã biết, sự ra đời của Internet mang lại cho chúng ta rất nhiều lợi ích và nó luôn đóng một vai trò quan trọng trong xã hội. Nó tác động đến mọi mặt, lĩnh vực trong đời sống. Internet là công cụ tiện lợi nhất để truyền tải một lượng thông tin lớn với tốc độ nhanh đến hàng triệu người trên thế giới. Chỉ với một cái máy tính hoặc điện thoại được kết nối Internet thì chúng ta đã có trong tay một quyền bách khoa toàn thư, có thể tiềm kiếm được những thông tin mà mình cần, dễ dàng trao đổi dữ liệu với tất cả mọi người. Nói tóm lại, Internet mang lại cho chúng ta rất nhiều lợi ích và thật thiếu xót khi không vận dụng được những ưu điểm của nó trong ngành kỹ thuật điện tử. Trong ngành kỹ thuật, chúng ta thể kết hợp Internet với các loại vi điều khiển, board phát triển. Từ đó, ta có thế kết nối, giám sát, điều khiển được chúng ở bất kỳ đâu mà không cần phải thao tác trực tiếp như trước đây. Nhận thấy được tiềm năng, một lĩnh vực mới đã được ra đời đó là Internet of Things- một lĩnh vực đang phát triển, được biết đến với các thiết bị thông minh và nó còn được ví là “cuộc cách mạng công nghiệp kế tiếp”, “thế giới kết nối tương lai”. Hiện nay nhu cầu sử dụng ánh sáng ngày càng lớn,nên việc sản xuất các con led điều khiển màu là rất phổ biến và LED RGB nằm trong số đó. Thường các loại bóng này dùng để trang trí trong quán bar, phòng hát karaoke, hội trường,... Lý do là khả năng nháy theo nhạc một cách chuẩn xác cùng các hiệu ứng tuyệt đẹp khiến người nhìn cảm thấy thích thú và yêu mến. 3 1.2. Mục đích nghiên cứu Với đề tài “điều khiển màu led ”, em có thể tạo ra một thiết bị làm cho việc theo dõi thông số màu led trong mọi môi trường dễ dàng hơn cho mọi người . Vận dụng được những kiến thức đã học ở trường để bắt tay vào làm một sản phẩm thực tế có thể đáp ứng được những yêu cầu của người sử dụng góp phần làm cho xã hội phát triển ngày một văn minh, hiện đại hơn. 1.3.Đối tượng nghiên cứu Những người muốn có thiết bị giám sát ánh sáng chuyển đổi qua Internet có thể thuận tiện hơn 1.4.Nhiệm vụ nghiên cứu Nhiệm vụ của đề tài: - Tạo ra một thiết bị nhận dữ liệu ánh sáng từ môi trường sau đó truyền lên một server trên Internet. Có thể quan sát các thông số ánh sáng mọi lúc mọi nơi khi kết nối với Internet. 1.5.Phương pháp nghiên cứu Đề tài này chủ yếu sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp quan sát Phương pháp thực nghiệm khoa học Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm 1.6.Các kết quả đạt được của đề tài Sau gần một tháng nghiên cứu, đề tài đã đạt được một số mục tiêu đề ra: - Có thể điều khiển được màu led RGB qua web server. 1.7.Tính tối ưu của đề tài - Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu. - Có tính linh động và mở rộng cho sinh viên thiết kế mô hình dựa trên cơ sỡ thực tế. - Mô hình đơn giản nhưng rất hữu ích. 4 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ ESP8266 2.1. Giới thiệu ESP8266 Hiện nay, nhu cầu nghiên cứu ESP8266 và điều khiển từ xa qua Internet ngày càng lớn. Có rất nhiều cách để kêt nối ESP8266 vào Internet, và mình sẽ chọn phương pháp giao tiếp qua Socket để hướng dẫn mọi người cách tiếp cận vào thế giới Internet Of Things. Đây là phương pháp theo mình đánh giá là dễ dàng nhất. Tất cả đều hướng theo sự kiện, nghĩa là bạn có thể bắt (catch) và xử lý nó một cách dễ dàng . ESP8266 là một chip tích hợp cao - System on Chip (SoC), có khả năng xử lý và lưu trữ tốt, cung cấp khả năng vượt trội để trang bị thêm tính năng wifi cho các hệ thống khác hoặc đóng vai trò như một giải pháp độc lập. ESP8266 cung cấp khả năng kết nối mạng wifi đầy đủ và khép kín, bạn có thể sử dụng nó để tạo một web server đơn giản hoặc sử dụng như một access point. ESP8266 là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điều khiển các thiết bị điện tử . Điều đặc biệt của nó , đó là sự kết hợp của module Wifi tích hợp sẵn bên trong con vi điều khiển chính, nhưng lại được tích hợp sẵn Wifi, bộ nhớ flash 8Mb. 2.2. Cấu trúc phần cứng của dòng chip ESP82 . Sử dụng 66 32-bit MCU core có tên là Tensilica . Tốc độ system clock có thể set ở 80MHz hoặc 160MHz . Không tích hợp bộ nhớ Flash để lưu chương trình . Tích hợp 50KB RAM để lưu dữ liệu ứng dụng khi chạy . Có đầy đủ các ngoại vi chuẩn đê giao tiếp như 17 GPIO, 1 Slave SDIO, 3 SPI, 1 I2C, 1 I2S, 2 UART, 2 PWM . Tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz 5 NodeMCU 0.9 Thông số kỹ thuật ESP8266: Điện áp 3.3 V Dòng điện 10uA-170mA Flash Tối đa 16 MB (thưởng là 512K) Vi xử lý Tensilica L106 32 bit 6 Tốc độ 80-160MHz RAM 32K+80K GPIO 17 A/D 1 802.11 b/g/n/d/e/i/k/r Số kết nối TCP max 5 2.3. Cài dặt Vào File→ Preferences, vào textbox Additional Board Manager URLs thêm đường link sau vào http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json Click OK để chấp nhận. 7 Tiếp theo vào Tool→Board→Boards Manager đợi một lát để chương trình tìm kiếm. Ta kéo xuống và click vào ESP8266 by ESP8266 Community, click vào Install. Chờ phần mềm tự động download và cài đặt 8 Chọn Board để lập trình cho ESP8266: Vào Tool→Board→Node MCU 0.9 chọn cổng COM tương ứng với module NodeMCU tương ứng. Đối với các mạch khác như WeMos mini thì ta chọn WeMos D1 R2 & mini. 9 Đến bước này là chúng ta đã có thể lập trình ESP8266. 10 2.4. Sơ đồ chân và các chức năng Hình 1:Sơ đồ chân URXD(RX) — dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển VCC — đầu vào 3.3V GPIO 0 — kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader RST — chân reset cứng của module, kéo xuống mass để reset GPIO 2 — thường được dùng như một cổng TX trong giao tiếp UART để debug lỗi  CH_PD — kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module, nối với mức cao  GND — nối với mass  UTXD (TX) — dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển      2.5. Thông số kỹ thuật Wifi 802.11 b/g/n Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2 Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK  Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP       11  Tích hợp công suất thấp 32-bit CPU có thể được sử dụng như là bộ vi xử lý ứng dụng  SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART  Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con 2.6. Sơ đồ 2.7. Quá trình nạp code Để nạp được code cần có 1 board USB sang COM TTL (COM hoạt động ở mức 3.3v hoặc 5v). 12 Hình 2: Board USD sang COM TTL Cắm FT232RL vào máy tính thông qua cổng usb, cài đặt driver (driver này có thể tìm trên internet). Trên windows có thể kiểm tra xem cổng com đã được cài đặt chưa bằng cách vào Control Panel > Device Manager > Ports (COM & LPT) sẽ thấy tên cổng COMxx xuất hiện. Nhớ tên cổng COM này để thiết lập cho Arduino IDE khi nạp code. Kết nối: –Chuyển jumper của FT232RL sang chế độ 3.3v – Nối GND của FT232RL vào GND của mạch esp8266 ở trên. – Nối VCC của FT232RL vào 3.3v của mạch esp8266 ở trên. – Nối Tx của FT232RL vào Rx của mạch esp8266 ở trên. – Nối Rx của FT232RL vào Tx của mạch esp8266 ở trên. Nạp code Đoạn code sau sẽ dùng để nhấp nháy đèn LED D1. Đèn led D1 được nối với GPIO2 void setup() { pinMode(2, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); delay(1000); } 1. Mở Arduino IDE chọn File > New. Nhập vào đoạn code ở trên, lưu file. 2. Vào Tools > Board:… chọn Generic ESP8266 Module. 3. Vào Tools > Port chọn cổng COM của USB TTL 4. Đóng công tắc S1, nhấn nút B1. 5. Chọn Sketch > Upload và chờ Arduino nạp code. Xong 13 2.8 Sơ đồ khối Hình 3: Sơ đồ khối 14 CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ LED RGB 3.1. Giới thiệu về LED RGB Mô hình màu RGB sử dụng mô hình bổ sung, trong đó ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh lam được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để tạo thành các màu khác. Khác với LED bình thường, led RGB có 4 chân, trong đó có 1 chân dương (hoặc âm) chung và 3 chân âm riêng cho từng màu (R - red - đỏ, G - Green - Xanh lá, B - Blue Xanh dương). LED RGB thực chất là 3 con diode led bình thường dính chụm thành 1 khối (vì độ sáng của LED RGB khá sáng cộng với hiệu ứng lưu ảnh của mắt người mà mình thấy được các màu sắc khác nhau). Để thay màu sắc của LED RGB, ta chỉ việc thay đổi độ sáng của từng diode (led) trong led rgb. Để thay đổi độ sáng của một con LED ta chỉ việc điều chỉnh điện áp xuất ra LED. Hình 4: hình ảnh RGB 15 Ânodo comum (chung cực dương) Cátodo comum (chung cực âm ) 3.2. Cơ sở sinh học Các màu gốc có liên quan đến các khái niệm sinh học hơn là vật lí, nó dựa trên cơ sở phản ứng sinh lí học của mắt người đối với ánh sáng. Mắt người có các tế bào cảm quang, các tế bào này thông thường có phản ứng cực đại với ánh sáng vàng –xanh lá cây(L), xanh lá cây (M), xanh lam (S) tương ứng với các bước sóng khoảng 564nm, 534nm và 420nm. 3.3. RGB và hiển thị Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của mô hình màu RGB là việc hiển thị màu sắc trong các ống tia âm cực, màn hình tinh thể lỏng hay màn hình plasma, chẳng hạn như màn hình máy tính hay ti vi. Mỗi điểm ảnh trên màn hình có thể được thể hiện trong bộ nhớ máy tính như là các giá trị độc lập của màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Các giá trị này được chuyển đổi thành các cường độ và gửi tới màn hình. Bằng việc sử dụng các tổ hợp thích hợp của các cường độ ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh lam, màn hình có thể tái tạo lại phần lớn các màu trong khoảng đen và trắng. Các phần cứng hiển thị điển hình được sử dụng cho các màn hình máy tính trong năm 2003 sử dụng tổng cộng 24 bit thông tin cho mỗi điểm ảnh (trong tiếng Anh thông thường được biết đến như bits per pixel hay bpp). Nó tương ứng với mỗi 8 bit cho màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam, tạo thành một tổ hợp 256 các giá trị có thể, hay 256 mức cường độ cho mỗi màu. Với hệ thống như thế, khoảng 16,7 triệu màu rời rạc có thể tái tạo 3.4. Biểu diễn dạng số 24 bit Khi biểu diễn dưới dạng số, các giá trị RGB trong mô hình 24 bpp thông thường được ghi bằng cặp ba số nguyên giữa 0 và 255, mỗi số đại diện cho cường độ của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lam trong trật tự như thế. Ví dụ: (0, 0, 0) là màu đen (255, 255, 255) là màu trắng (255, 0, 0) là màu đỏ (0, 255, 0) là màu xanh lá cây (0, 0, 255) là màu xanh lam (255, 255, 0) là màu vàng (0, 255, 255) là màu xanh ngọc (255, 0, 255) là màu hồng sẫm 16