Thiết kế mạch báo cháy, xử lí cháy, điều khiển điều hòa cho 1 nhà 5 phòng

Thiết kế mạch báo cháy, xử lí cháy, điều khiển điều hòa cho 1 nhà 5 phòng

Báo cáo môn học : TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI : Thiết kế mạch báo cháy,xử lí cháy, điều khiển điều hòa cho 1 nhà 5

phòng.

I.Yêu cầu:

- Cửa mở thì tắt điều hòa, cửa đóng thì bậtđiều hòa

- Đo nhiệt độ 5 phòng( từ 18oC ÷ 50oC để điều khiển điều hòa, >50oC thì báo cháy)

Page 1

Nút nhấn

Điều hòa máy bơm

*Chức năng của từng khối:

- Khối cảm biến và tiếp điểm: báo cháy, báo khói và báo cửa đóng hay mở

- Khối cảnh báo: bật loa báo động khi có cháy

- Khối hiển thị LCD: hiển thị nhiệt độ và hiển thị phòng có cháy

- Khối điều khiển động cơ: điều khiển máy bơm và điều hòa

- Khối biến đổi tương tự số ADC: biến đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến nhiệt độ ( LM35 ) thành tín hiệu số

- Khối dồn kênh (Mux 74LS150 ): dồn các kênh tiếp điểm khói và tiếp điểm báo cửa đóng/mở

- Nút nhấn: dùng để báo cháy khẩn cấp

- Khối vi xử lý 8051: bộ xử lý trung tâm

- Khối nguồn ( 7805 ): cung cấp nguồn ổn định 5V

2.Hoạt động của từng khối trong sơ đồ:

2.1.Cảm biến nhiệt:

Sử dụng IC cảm biến LM35:Là loại cảm biến bán dẫn được chế tạo thành các

IC chuyên dụng với độ chính xác cao,điện áp thay đổi tỉ lệ thuận với nhiệt độ.Dải

đo của cảm biến: từ -55oC÷150oC Tuy nhiên trong yêu cầu chỉ cần đo nhiệt độ từ

18oCđến 50oC Độ nhạy của cảm biến 10mV/1oC ( đầu ra theo dải đo yêu cầu củacảm biến từ 180mV đến 500mV ) Nguồn cung cấp sử dụng nguồn 5V DC

Ta có thể ghép nối cảm biến nhiệt LM35 với vi xử lý qua bộ chuyển đổi tương tự

số ADC0809

Page 3

Ta có thể lấy tín hiệu từ chân V uot.

2.2.Cảm biến khói:

Bộ phận cảm biến khói là bộ phận riêng biệt chạy bằng PIN đươc thiết kế đểlắp đặt trên tầng nhà,trên tường.Ngoài yêu cầu kĩ thuật(chính xác,an toàn)còn đòihỏi phải đảm bảo về mặt thẩm mỹ.Ta thiết kế cảm biến khói bằng phương pháp thuphát quang.Dùng những linh kiện phát quang(Led,led hồng ngoại…) chiếu 1 tiasáng qua vùng bảo vệ vào 1 linh kiện thu quang(photo diode,quang trở,….).Khi cócháy,khói đi ngang qua vùng bảo vệ sẽ che chắn hoặc làm giảm cường độ ánh sángchiếu vào linh kiện thu.Khi cường độ giảm xuống tới 1 giá trị nào đó thì bộ cảmbiến sẽ phát hiện và phát tìn hiệu báo động

Ưu điểm: dễ lắp đặt, dễ kiếm và thực thi

Nhược điểm: mạch báo động có thể sai nếu vùng bảo vệ bị xâm nhập bởi các lớpbụi…

Khối cảm biến khói được thiết kế là 1 hệ độc lập.Như giới thiệu trên ta sử dụngmạch quang

Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến khói :

Bộ cảm biến khói có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu khói thành tín hiệu điện,trongphần thiết kế này ta dùng quang trở.Như ta đã biết hoạt động của quang trở là:khi

có ánh sang chiếu vào điện trở của nó giảm đi đáng keerso với khi không đượcchiếu sáng

Ta lơi dụng nguyên lí trong mạch này là:Bình thường quang trở đươc chiếu sangbởi ánh sang phát ra tư LED.Khi cháy có nồng độ khói tăng lên làm cường độ sanggiảm đi làm cho điện trở của quang trở tăng lên

Chọn led có dòng 20mA và phát sáng có cường độ 10lux và quang trở là LDR03

có đặc tuyến làm việc như hình vẽ:

Chọn R10= 2,7k

Dưới cường độ sáng LED là 10lux thì giá trị điện trở của quang trở là 20k

Page 5

2.3.Khối tiếp điểm báo cửa đóng/mở :

Sử dụng role đóng cắt Tắt điều hòa khi cửa mở.Sơ đồ nguyên lý của khối tiếpđiểm sẽ được trình bày ở phần sau

2.4.Khối cảnh báo:

Loa báo động được điều khiển bởi vi xử lý khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép

Do yêu cầu mạch sử dụng cho 1 khu nhà nên ta có thể thiết kế thêm mạch loa báođộng khác.

Sau đây là mạch sử dụng mạch LOA báo động sử dụng IC LM555

Sơ đồ mạch nguyên lý:

Mạch trên có thể nối trực tiếp chân Vi điều khiển

2.5.Khối điều khiển động cơ :

Vi xử lý điều khiển tắt điều hòa đồng thời mở máy bơm khi có cháy ( thao tác nàyđược thực hiện cùng lúc với bật loa báo động ) Khi nhiệt độ trong ngưỡng đo ( từ

18oCđến 50oC ) và cửa đóng thì bật điều hòa.Hoạt động của khối này sẽ được trìnhbày cụ thể trong phần sau

2.6.Khối hiển thị:

Khối hiển thị sử dụng LCD Trong những năm gần đây LCD đang ngày càng được

sử dụng rộng rãi thay thế dần cho các đèn LED (các đèn LED 7 đoạn hay nhiềuđoạn).Đó là vì các nguyên nhân sau:

1 Các LCD có giá thành hạ

2 Khả năng hiển thị số,các ký tự đồ họa tốt hơn nhiều so với các đèn LED (vìcác đèn LED chỉ hiện thị đươc các số và 1 số ký tự)

Page 7

3 Nhờ kết hợp 1 bộ điều khiển vào LCD làm giải phóng cho CPU công việclàm hiểm thị cho LCD.Trong khi đèn LED phải được làm hiển thị bằng CPU

để duy trì việc hiển thị dữ liệu

Gửi các lệnh và dữ liệu LCD với 1 độ trễ.Để gửi 1 lệnh bất kì từ bảng trên đếnLCD ta phải đưa chan RS về 0.Đối với dữ liệu thì bật RS=1 sau đó gửi 1 xung caoxuống thấp đến chân E để cho phép chốt dữ liệu trong LCD

LCD được ghép nối với VXL như sau:

2.7.Khối biến đổi tương tự số ADC: sử dụng ADC 0809:

ADC0809 là 1 thiết bị CMOS vững chắc với bộ chuyển đổi 8-bit digital, bộ đa công 8-kênh và bộ vi xử lý tương thích điều khiển logic.Bộchuyển đổi 8-bit A/D sử dụng phép tính xấp xỉ liên tục theo kỹ thuật qua bộchuyển đổi.Bộ chuyển đổi nhiều tính năng ngắt điện trở kháng cao đã làm ổnđịnh bộ so sánh,bộ chia điện áp 256R với chuyển mạch analog hình cây vàthanh ghi chép tính xấp xỉ liên tục.Bộ đa công 8- kênh có thể trực tiếp truy cậpbất cứ các tín hiệu analog 8-single-ended nào

analog-to-Các tính năng:

- Dễ ghép nối với tất cả các bộ vi xử lý

- Hoat động ratio-metrically hoặc với 5 VDC hoặc mở rộng tương tự điện

áp đã điều chỉnh

- Không đòi hỏi hiệu chỉnh điểm giữa hoặc full-scale(giữ đúng kích thướcthực sự)

- 8-channel bộ đa công có các địa chỉ logic

- Dải vào 0V tới 5V với bộ cung cấp năng lượng đơn lẻ 5V

- Các đầu vào thỏa mãn điện áp mức chỉ định TTL

- Độ kín tiêu chuẩn hoặc kiểu bao gói 28-pin DIP

- Bao gói chuyên chở chíp kiểu đúc 28-pin

- ADC0809 tương đương với MM74C949-1

- Độ phân giải 8 bit

- Tổng số lỗi không hiệu chỉnh +_ ½ LSB và +_ 1 LSB

- Nguồn cung cấp đơn lẻ 5 VDC

Page 11

CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ CHUYỂN ĐỔI

Trái tim của hệ thống thu dữ liệu kiểu chip đơn này là bộ chuyển đổi analogthành digital 8-bit của nó Bộ chuyển đổi được thiết kế để nhanh, chính xác, và cóthể lặp lai nhiều chuyển đổi trên phạm vi rộng của nhiệt độ Bộ chuyển đổi đượcphân thành 3 phần chính: mạng bấc thang 256R, thanh ghi phép tính xấp xỉ liêntục, và bộ so sánh

Các đầu ra kỹ thuật số của bộ chuyển đổi là đúng tuyệt đối

Phương pháp mạng bậc thang 256R đã được chọn trên bậc thang thường R/2R vìtính cương đơn sắc (mono-tonicity) của nó, điều đó bảo đảm không mất các mãdigital Tính cương đơn sắc là đặc biệt quan trọng trong vòng lặp kín những hệthống điều khiển phản hồi Quan hệ không có tính cương đơn sắc có thể là lý donhững dao động mà nó sẽ là thảm khốc (catastrophic) đối với hệ thống Ngoài ra,mạng 256R đã không là lý do nạp biến trên điện áp tham chiếu

Thanh ghi phép tính xấp xỉ liên tục (SAR) thực hiện 8 lặp đi lặp lại đến xấp xỉ điện

áp vào.Đối với bất cứ kiểu chuyển đổi SAR nào, n-lặp lại là được yêu cầu đối vớichuyển đổi n-bit

ADC0809, kỹ thuật phép tính xấp xỉ là tuỳ thuộc vào 8 bit đã sử dụng mạng256R Thanh ghi phép tính xấp xi liên tục của bộ chuyển đổi A/D (SAR) thì đặt lạitrên cạnh dương của xung bắt đầu chuyển đổi (SC).Sự chuyển đổi đã bắt đầu trêncạnh di xuống của xung bắt đầu chuyển đổi Sự chuyển đổi theo quá trình sẽ bịgián đoạn do nhận được xung bắt đầu chuyển đổi mới Sự chuyển đổi liên tục cóthể được hoàn thành do liên kết end-of-conversion (EOC) đầu ra với SC đầu vào.Nếu thường dùng trong chế độnày, xung chuyển đổi bắt đầu bên trong nên được ápdụng sau khi tăng năng lượng.End-of-conversion sẽ xuống thấp giữa 0 và 8 nhịpđồng hồ sau cạnh tăng lên của bắt đầu chuyển đổi Phần quan trọng nhất của bộchuyển đổi A/D là bộ so sánh.Thực ra phần này chịu trách nhiệm đối với nền tảngchính xác của toàn bộ sự chuyển đổi.Nócòn là bộ so sánh độ lệch (drift) có ảnhhưởng lớn đến năng lực lặp lại của thiết bị Bộ so sánh ổn định ngắt (chopper-stabilized) cung cấp phương pháp hiệu quả nhất về thoảmãn tất cả nhu cầu chuyểnđổi

Bộ so sánh ổn định ngắt chuyển đổi tín hiệu đầu vào DC thành tín hiệu AC Tínhiệu này sau đó cung cấp (fed) qua bộ khuếch đại AC cao hơn và có mức DC đượcphục hồi.Kỹthuật này giới hạn sự sai lệch thành phần của bộ khuếch đại bởi sự sailệch là thành phần DC mà không được truyền nhờ bộ khuếch đại AC Điều nàylàm cho toàn bộ bộ chuyển đổi A/D cực kỳ nhậy cảm với nhiệt độ, lệch lâu dài vàtín hiệu đầu vào in ra nhiều lỗi

2.8.Khối vi xử lý:

Sử dụng IC AT89C51

- Là IC của hãng ATMEL sản xuất mới đây có 1 số đăc điểm sau:

Page 13

- 8k byte ROM (đươc lập trình bởi nhà sản xuất).

- 128 byte RAM

- 4 Port I/O 8 bit

- 2 bộ định thời 16 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64k không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64k không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit đơn)

- 210 bit đươc địa chỉ mã hóa

- Bộ nhân/chia 4 bit

- Hệ thống giao tiếp port xử lí:

+ port0:là port 2 chức năng trên các chân 32-39

+ port 1:là 1 port I/O trên các chân từ 1-8

+ port 2:la 1 port công dụng kép trên các chân 21-28

+ port 3:la1 port công dụng kép trên các chân 10-17 Các chân này đều có nhiềuchức năng,các công dụng chuyển đổi liên hệ tới các đặc tính đặc biệt với bảng sau:

Page 15

-Các tín hiệu điều khiển:

Chíp AT89C51 có các tín hiệu điều khiển cần chú ý như sau:

+ Tín hiệu vào EA\trên chân 31 thường đặt lên mức cao (+5v) hoặc mứcthấp(GND).Nếu ở mức cao 89c51 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảngđịa chỉthấp.Nếu ở mức thấp,chương trình được thi hành từ bộ nhớ mở rộng.Ngoài

ra còn dùng EA\ làm chân cấp điện áp 12V khi lập trình EEPROM trong 8051 + Chân SPEN:SPEN là chân tín hiệu ra trên chân 29.Nó là tín hiệu điều khiển chophép chươngtrình mở rộng.SPEN thường được nối đến chân OE\ của 1 EPROMhoặc ROMđể cho phép đọc các byte mã lệnh

+ AT89C51: Sử dụng mạch dao động từ 12MHZ trở lên

-Các chân nguồn:

AT89C51 hoạt động nguồn đơn +5v.Vcc được nối vào chân 40,và GND được nốivới chân 20

2.9.Khối dồn kênh (Multiplexer-MUX) và tách kênh ( Demultiplexex-DeMux):

Mạch điện tử thực hiện chức năng ghép nhiều đường truyền lại với nhau đượcgọi là mạch dồn kênh còn mạch điện tử sẽ tách đường nhận được ra nhiều đườngtín hiệu ban đầu được gọi là mạch tách kênh Mạch dồn kênh và tách kênh ngàynay được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hiện đại liên quan trực tiếp tớiđiện tử như ghép tách kênh điện thoại, kênh truyền hình, truyền dữ liệu nối tiếp,mạng truyền internet,…Với tần số hoạt động được của các IC mạch số hàng Mhztrở lên nên cho phép ghép truyền được rất nhiều đường tín hiệu và dữ liệu đi coinhư là đồng thời

Mạch dồn kênh hay còn gọi là mạch ghép kênh, đa hợp (Multiplexer-MUX) là 1dạng mạch tổ hợp cho phép chọn 1 trong nhiều đường ngõ vào song song (cáckênh vào) để đưa tới 1 ngõ ra (gọi là kênh truyền nối tiếp) Việc chọn đường nàotrong các đường ngõ vào do các ngõ chọn quyết định Ta thấy MUX hoạt động như

1 công tắc nhiều vị trí được điều khiển bởi mã số Mã số này là dạng số nhị phân,

tuỳ tổ hợp số nhị phân này mà ở bất kì thời điểm nào chỉ có 1 ngõ vào được chọn

và cho phép đưa tới ngõ ra

Các mạch dồn kênh thường gặp là 2 sang 1, 4 sang 1, 8 sang 1, …Nói chung là từ

2n sang 1 Ví dụ như mạch dồn kênh 4 sang 1 ở hình dưới đây:

Mạch dồn kênh 4 sang 1 và bảng sự thậtMạch trên có 2 ngõ điều khiển chọn là S0 và S1 nên chúng tạo ra 4 trạng tháilogic.Mỗi một trạng thái tại một thời điểm sẽ cho phép 1 ngõ vào I nào đó qua đểtruyền tới ngõ ra Y Như vậy tổng quát nếu có 2n ngõ vào song song thì phải cần nngõ điều khiển chọn.Cũng nói thêm rằng, ngoài những ngõ như ở trên, mạchthường còn có thêm ngõ G được gọi là ngõ vào cho phép (enable) hay xung đánhdấu (strobe) Mạch tổ hợp có thể có 1 hay nhiều ngõ vào cho phép và nó có thể tácđộng mức cao hay mức thấp Như mạch dồn kênh ở trên, nếu có thêm 1 ngõ chophép G tác động ở mức thấp, tức là chỉ khi G = 0 thì hoạt động dồn kênh mới diễn

ra còn khi G = 1 thì bất chấp các ngõ vào song song và các ngõ chọn, ngõ ra vẫngiữ cố định mức thấp (có thể mức cao tuỳ dạng mạch)

Trong mạch này sử dụng IC dồn kênh 16 sang 1 : 74LS150 Sơ đồ chân của74LS150 như sau:

Page 17

Bảng sự thật của IC 74LS150:

Các thông số cơ bản: - Nguồn cung cấp: 5V DC

- Các chân I0÷I15 : Data inputs

- Các chân S0÷S3 : Select inputs

- Chân Enabel Input tích cực mức thấp

Ngược với mạch dồn kênh là mạch tách kênh ( Demultiplexex-DeMux) Mạchtách kênh dùng trong mạchlà IC 74HC595, sử dụng làm bộ phân kênh điều khiểnđóng cắt của các điều hòa và máy bơm.IC 74HC595 là IC ghi dịch 8-bit,vào nốitiếp ra song song với 1 thanh ghi lưu trữ(storage register) và đầu ra 3 trạng thái Chức năng của IC:

- Vào dữ liệu 8-bit

- Đầu ra 8-bit nối tiếp và 8-bit song song

- Thanh ghi lưu trữ với đầu ra 3 trạng thái

- Tần số dịch 100MHZ(Typical)

Mô tả các chân của IC 74HC595

- VCC và GND:chân cấp nguồn cho IC.Điện áp nguồn cấp trong 2v-5.5v

- QA-QH: 8 đầu ra dữ liệu song song,chân QH’ là chân ra dữ liệu nối tiếp

- là chân Reset IC ,tích cực mức thấp(0).Khi đưa mức 0 vào chânnày thì IC SẼ thực hiện Reset,tất cả đầu ra đều về 0

- SCK là chân xung đồng hồ của thanh ghi dich

- RCK là chân nhận xung đồng hồ cho thanh ghi lưu trữ

- :chân cho phép xuất dữ liệu ra, tích cực mức thấp.Khi hoạt động chânnày ở 0.Khi đưa chân lên mức 1 các đầu ra sẽ ở trạng thái trở khángcao

- SER là chân nhận dữ liệu nối tiếp

Hoạt động của IC 74HC595: Dữ liệu sau khi đưa vào chân DS của IC, bit dữ liệu

đó sẽ đc dịch ứng với sườn dương của xung nhịp ( mức logic từ thấp lên cao) đưatới chân SHCP, dữ liệu vào tại mỗi thanh ghi sẽ được đưa sang thanh ghi lưu trữ khi

có một sườn dương của xung nhịp đi vào STCP.Xung đồng hồ tại chân SHCP phảixuất hiện trước xung nhịp vào chân STCP.Mỗi xung clock đưa vào SHCP tương ứngvới một bit dữ liệu vào chân DS, 8 xung tương ứng với 8 bit dữ liệu đưa vào,chúng được lưu trong thanh ghi lưu trữ Khi một tín hiệu tích cực mức 0 được đưavào chân OE thì 8 bít này được đưa ra 8 đầu ra song song Khi có 8 bit dữ liệu tiếptheo được dịch vào thì 8 bit dữ liệu trước đó được dịch ra nối tiếp nhau qua chânQ7’ Trong chế độ hoạt động bình thường thì các chân MR được nối với dươngnguồn, chân OE được nối với đất

Page 19

Sơ đồ chân của IC 74HC595:

2.10.Bộ cấp nguồn:

Mạch cung cấp nguồn 5v cho mạch,sử dụng IC LM7805

II Sơ đồ mạch nguyên lý:

Nguyên lý hoạt động chung của mạch như sau: Nhà 5 phòng đươc trang bị 5 cảmbiến nhiệt, 5cảm biến khói, 5 tiếp điểm báo cửa đóng/mở Khi tiếp điểm báo cửađóng và nhiệt độ trong dải đo cho phép ( từ 18oC÷50oC ) thì điều khiển bật điềuhoà, ngược lại khi cửa mở thì tắt điều hoà Khi có cháy nhiệt độ tăng cao lên đến

>500C và có khói.Hệ thống sẽ tắt điều hoà, phát báo động báo cháy qua loa và hiểnthị qua LCD 16x2 đồng thời điều khiển 1 máy bơm nước chữa cháy toàn nhà.Sau đây là sơ đồ mạch nguyên lý :

Page 21

Do điều hòa là các thiết bị công suất lớn nên không thể đóng/mở liên tục khi cửamở/đóng.Nên phải thiết lập 1 khoảng thời gian trễ là 10 phút cho mỗi lần đóng mởphải dùng riêng rẽ mạch đóng cắt cho thiết bị.Vậy nên có 2 hệ bấm điều khiển máyđiều hòa.1 đóng ,1 mở.

Bộ phận hiển thị và cảnh báo cháy:

Page 23

Mạch này có tác dụng hiển thị nhiệt độ các phòng,sẽ dễ kiểm soát cháy khi nhìnvào màn hình hiển thị cho biết phong nào nhiệt độ đang tăng cao.Cùng với đó là hệthống ra LOA,hệ thống điều khiển tiếng động phát LOA( hệ thống LOA đươc sửdụng ngoài ).

Bộ phận xuất tín hiệu đóng ngắt điều hòa và máy bơm