Thiết kế mạch bật tắt đèn thông minh

Thiết kế mạch bật tắt đèn thông minh

Một trong những ứng dụng điển hình mà chúng ta có thể nhắc tới chính là việc ứng dụng vi điều khiển PIC vào trong điều khiển “ bật tắt đèn thông minh” vì vi điều khiển đã phần nào giải quyết các vấn đềvề tần suất làm việc cũng như các yêu cầu về

độ chính xác Hơn nữa việc điều khiển bật tắt đèn thông minh cũng đem lại sự tiện lợi, tiết kiệm thời gian và tiền bạc

Đáp ứng nhu cầu đó em đã thực hiện “ thiết kết mạch bật tắt đèn thông minh” đây

là một vấn đền tuy không mới nhưng việc đi sâu tim hiểu ứng dụng của vi điều khiển PIC 16F877A, giúp em tiếp cận thêm công nghệ tiên tiến đang áp dụng trên thế giới, mang các kiến thức lý thuyết được học ở nhà trường đến gần với thực tế giúp sinh viên

tự tin hơn với kiến thức mình đã học tại trường trước khi ra trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC

I GIỚI THIỆU CHUNG

PIC (Programmable Interlligent Computer) là một sản phẩm của hãng General Intruments đặt tên cho sản phẩm của họ là PIC 1605 Vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20, General Intruments và Honeywell kết hợp sản xuất ra bộ vi xử lý 16 bit CP1600, đây là

bộ vi xử lý khá mạnh vào thời điểm đó nhưng lại hạn chế về hoạt ra vào

PIC 1650 hoạt động đơn giản với tập lệnh nằm trong ROM Vào thời điểm đó chưa có khái niệm về RISC (Reduced Intructions Set Code), tuy nhiên PIC 1650 thực

sự vi điều khiển được thiết kế theo kiến trúc RISC Tập lệnh của PIC 1650 với khoảng

30 lệnh và độ dài của mỗi lệnh là 14 bit Mỗi tập lệnh PIC 1650 thực hiện trong một chu kỳ máy

Năm 1985 General Intruments bán bộ phận sản xuất vi điện tử của họ và chủ sở hữu mới hủy bỏ hết các dự án liên quan ( do các dự án trước đó bị lỗi thời)

Năm 1989 Microchip Technology tiếp tục phát triển PIC bằng việc thêm bộ nhớ EEPROM để tạo thành vi điều khiển khả trình Tiếp đến tích hợp các tính năng như ngắt, ADC ( analog digital convertr) … để tạo thành các bộ vi điều khiển ( Micro Controller)

Đến năm 1992 Microchip Technology đã cho ra đời 6 loại chíp với 3 dòng khác như:

• Dòng chíp có độ dài mã lệnh bằng 12 bit gồm 4 chíp PIC 15C5X các chíp này

có độ dài từ 12 đến 28 chân ra vào

• Dòng chíp có độ dài mã lệnh bằng 14 bit là PIC 16C71, bộ vi điều khiển này được tích hợp thêm 2 tài nguyên là ngắt ADC

• Dòng chíp có độ dài mã lệnh bằng 16 bit là PIC 16C41, tuy nhiên dòng chíp này không được chú trọng phát triển vào thời đó

Cùng thời gian này hàng loạt các công cụ hỗ trợ của các công ty ra đời điển hình

là PICMASTER emulator, PIC Pro II programmer và cả trình dịch C Các công cụ này cùng với việc thay đổi bộ nhớ OTP (One- Time- Programmable parts) bàng bộ nhớ EEP (Electically Erasable Parts) đã mang đến nhiều tiện lợi cho người lập tình PIC 16C84 là bộ vi điều khiển đầu tiên có bộ nhớ khiểu EEP Không lâu sau đó Microchip Technology tiếp tục đưa ra bộ vi điều khiển với mã lệnh dài 14 bit PIC 16F877 ( tính năng gỡ rối) tính năng này cho phép người lập trình có thể khiểm soát từng thanh ghi từng câu lệnh nhờ những cải tiến liên tiếp PIC 16F877 trở thành vi điều khiển bán chạy nhất tai thời điểm đó (năm 1995 đến năm 1998)

Đến năm 2000 Microchip Technology tái phát triển dòng chíp có độ dài mã lệnh bằng 16 bit đã có được trước đó 8 năm Đại diện cho dòng chíp này là PIC 18F4520 với tốc độ mã lệnh đã có trước đó 8 năm Đại diện cho dòng chíp này là PIC 18F452 với tốc độ và dung lượng được cải thiện và khá nhiều tính năng bổ sung như: các bộ định thời ( timer), truyền thông nối tiếp… Dòng vi điều khiển 8 bit đã dẫn đầu số lượng

bộ bán ra mỗi năm liên tục từ năm 2002 đến nay Trước nhu cầu về tốc độ xử lý cùng với các tính năng đặc biệt khác, Microchip Technology tiếp tục cho ra đời các dòng vi điều khiển tiên tiến hơn như: PIC24, PIC33, dsPIC…

Ngày nay có hàng chục dòng PIC với hàng trăm loại chíp khác nhau Tại Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng rộng rãi.điều này tạo nên thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các úng dụng như: số lượng tài liệu,

số lượng ứng dụng mở đã thành công dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được chỉ dẫn khi khó khăn…

II VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A

2.1 SƠ ĐỒ CHÂN VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A

Hình 1.1: Sơ đồ chân PIC 16F877A 2.1.1 CHÂN NGUỒN

PIC 16F877A gồm 4 chân cấp nguồn là :

Chân số 11 và chân số 32 là chân VDD cấp +5V

Chân số 12 và chân số 31 la chân VSS cấp 0V

2.1.1 CHÂN RESET

Trên hình ta thấy chân số 1(MCLR) chính là chân reset của PIC, chân này có nhiệm vụ khởi động lại chip khi chân này dược tích cực.

2.1.3 MẠCH DAO ĐỘNG

Trên hình vẽ ta thấy 2 chân số 13(OSC1) và số 14(OSC2) là 2 chân dao động Tốc độ dao động được thông qua tần số dao động của bộ dao động

Sơ đồ mạch dao động được vẽ như sau:

2.2 MỘT VÀI THÔNG SỐ VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A

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 I/O là 5 với 33 pin I/O Các đặc tính ngoại vi bao gồm các 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 Capture/so sánh/điều chế độ

• Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit Hai bộ so sánh.

• 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

2.3 SƠ ĐỒ KHỐI

Hình 1.2 : Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 2.4 TỔ CHỨC BỘ NHỚ

Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (program memory) và bộ nhớ dữ liệu (data memory)

Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash , dung lượng

bộ nhớ 8k word (1 word= 14bit) và được phân thành nhiều trang (từ page 0 đến page 3) Như vậy bộ nhớ chương trinh có khả năng chứa được 8*1024 =8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14 bit) Để mã hóa được địa chỉ của 8k word

bộ nhớ chương trình , bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>) Khi vi điều khiển reset , bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (reset vector) Khi có ngắt xảy ra , bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (interrupt vector) Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau

Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank Đối với PIC16F877A bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank Mỗi bank có dung lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFG (Special Function Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR (General Purpose Pegister) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cà các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của chương trình

Stack không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu mà là một vùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi Khi lệnh CALL được thực hiện hay khi một ngắt xảy ra làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị của bộ đếm chương trình PC tự động được vi điều khiển cất vào trong stack Khi một trong các lệnh RETURN, RETLW hat RETFIE được thực thi, giá trị PC sẽ tự động được lấy ra từ trong stack, vi điều khiển sẽ thực hiện tiếp chương trình theo đúng qui trình định trước

Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả năng chứa được 8 địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng Nghĩa là giá trị cất vào bộ nhớ Stack lần thứ 9

sẽ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần đầu tiên và giá trị cất vào bộ nhớ Stack lần thứ 10

sẽ ghi đè lên giá trị 6 cất vào Stack lần thứ 2 Cần chú ý là không có cờ hiệu nào cho biết trạng thái stack, do đó ta không biết được khi nào stack tràn Bên cạnh đó tập lệnh

của vi điều khiển dòng PIC cũng không có lệnh POP hay PUSH, các thao tác với bộ nhớ stack sẽ hoàn toàn được điều khiển bởi CPU.

2.5 CÁC CỔNG NHẬP XUẤT CẢ PIC 16F877A

Cổng xuất nhập (I/O port) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với thế giới bên ngoài Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá trình tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng

Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân (I/O pin), tùy theo cách

bố trí và chức năng của vi điều khiển mà số lượng cổng xuất nhập và số lượng chân trong mỗi cổng có thể khác nhau Bên cạnh đó, do vi điều khiển được tích hợp sẵn bên trong các đặc tính giao tiếp ngoại vi nên bên cạnh chức năng là cổng xuất nhập thông thường, một số chân xuất nhập còn có thêm các chức năng khác để thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại vi nêu trên đối với thế giới bên ngoài Chức năng của từng chân xuất nhập trong mỗi cổng hoàn toàn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanh ghi SFR liên quan đến chân xuất nhập đó

 Port A

Port A (RPA) bao gồm 6 I/O pin Đây là các chân “hai chiều” (bidirectional pin), nghĩa là có thể xuất và nhập được Chức năng I/O này được điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h) Muốn xác lập chức năng của một chân trong PortA là input, ta

“set” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA và ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong Port A là output, ta “clear” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA Thao tác này hoàn toàn tương tự đối với các PORT còn lại Bên cạnh đó Port A còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào analog ngõ vào xung clock của Timer0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)

Các thanh ghi SFR liên quan đến Port A bao gồm:

Port A (địa chỉ 05h) : chứa giá trị các pin trong

Port A TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập

CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh

CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp

ADCON1 (địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC.

 Port B

Port B (RPB) gồm 8 pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB Bên cạnh đó một số chân của Port B còn đươc sử dụng trong quá trình nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau Port B còn liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0 Port B còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình

Các thanh ghi SFR liên quan đến Port B bao gồm:

Port B (địa chỉ 06h,106h) : chứa giá trị các pin trong

Port B TRISB (địa chỉ 86h,186h) : điều khiển xuất nhập

OPTION_REG(địa chỉ 81h,181h): điều khiển ngắt ngoại vi và bộ Timer0

 Port C

PortC (RPC) gồm 8 pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC Bên cạnh đó Port C còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ Timer1, bộ PWM

và các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

Các thanh ghi điều khiển liên quan đến Port C:

Port C (địa chỉ 07h) : chứa giá trị các pin trong

Port C TRISC (địa chỉ 87h) : điều khiển xuất nhập

 Port D

Port D (RPD) gồm 8 chân I/O, thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISD Port D còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port).Các thanh ghi liên quan đến Port D bao gồm:

Thanh ghi Port D : chứa giá trị các pin trong Port D

Thanh ghi TRISD : điều khiển xuất nhập

Thanh ghi TRISE : điều khiển xuất nhập Port E và chuẩn giao tiếp PSP

 Port E

Port E (RPE) gồm 3 chân I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PortE có ngõ vào analog Bên cạnh đó Port E còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

Các thanh ghi liên quan đến Port E bao gồm:

Port E : chứa giá trị các chân trong PortE

TRISE : điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp PSPADCON1: thanh ghi điều khiển khối ADC

2.6 NGẮT (INTERRUPUT)

PIC16F877A có đến 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi INTCON (bit GIE) Bên cạnh đó mỗi ngắt còn có một bit điều khiển và cờ ngắt riêng Các cờ ngắt vẫn được set bình thường khi thỏa mãn điều kiện ngắt xảy ra bất chấp trạng thái của bit GIE, tuy nhiên hoạt động ngắt vẫn phụ thuộc vào bit GIE và các bit điều khiển khác Bit điều khiển ngắt RB0/INT và TMR0 nằm trong thanh ghi INTCON, thanh ghi này còn chứa bit cho phép các ngắt ngoại vi PEIE Bit điều khiển các ngắt nằm trong thanh ghi PIE1 và PIE2 Cờ ngắt của các ngắt nằm trong thanh ghi PIR1 và PIR2

Trong một thời điểm chỉ có một chương trình ngắt được thực thi, chương trình ngắt được kết thúc bằng lệnh RETFIE Khi chương trình ngắt được thực thi, bit GIE tự động được xóa, địa chỉ lệnh tiếp theo của chương trình chính được cất vào trong bộ nhớ Stack và bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h Lệnh RETFIE được dùng

để thoát khỏi chương trình ngắt và quay trở về chương trình chính, đồng thời bit GIE cũng sẽ được set để cho phép các ngắt hoạt động trở lại Các cờ hiệu được dùng để kiểm tra ngắt nào đang xảy ra và phải được xóa bằng chương trình trước khi cho phép ngắt tiếp tục hoạt động trở lại để ta có thể phát hiện được thời điểm tiếp theo mà ngắt xảy ra

Đối với các ngắt ngoại vi như ngắt từ chân INT hay ngắt từ sự thay đổi trạng thái các pin của PORTB (PORTB Interrupt on change), việc xác định ngắt nào xảy ra cần 3 hoặc 4 chu kì lệnh tùy thuộc vào thời điểm xảy ra ngắt

Cần chú ý là trong quá trình thực thi ngắt, chỉ có giá trị của bộ đếm chương trình được cất vào trong Stack, trong khi một số thanh ghi quan trọng sẽ không được cất và có thể bị thay đổi giá trị trong quá trình thực thi chương trình ngắt Điều này nên được xử lý bằng chương trình để tránh hiện tượng trên xảy ra

 Ngắt INT

Ngắt này dựa trên sự thay đổi trạng thái của pin RB0/INT Cạnh tác động gây ra ngắt

có thể là cạnh lên hay cạnh xuống và được điều khiển bởi bit INTEDG (thanh ghi OPTION_ REG <6>) Khi có cạnh tác động thích hợp xuất hiện tại pin RB0/INT, cờ ngắt INTF được set bất chấp trạng thái các bit điều khiển GIE và PEIE Ngắt này có khả năng đánh thức vi điều khiển từ chế độ sleep nếu bit cho phép ngắt được set trước khi lệnh SLEEP được thực thi

 Ngắt do sự thay đổt trạng thái các PIN trong Port B

Các pin PORTB<7:4> được dùng cho ngắt này và được điều khiển bởi bit RBIE (thanh ghi INTCON<4>) Cờ ngắt của ngắt này là bit RBIF (INTCON<0>)

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH BẬT TẮT ĐÈN

THÔNG MINH

I KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÀI TOÁN

Hiện nay hầu hết việc giám sát và điều khiển chiếu sáng trong các phòng công cộng được điều khiển bằng tay thông qua đóng mở các công tắc, các aptomat, cầu dao Điều này khá thuận lợi và đơn giản vì ta có thể bật tắt đèn theo nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, do là phòng công cộng nên việc bật tắt đèn hầu như do người trực khu nhà

đó làm Vì thế họ không biết được chính xác khi nào thì có người tới và khi nào thì mọi người đã ra hết khỏi phòng hoặc họ biết nhưng vì phải quản lý nhiều phòng nên họ vẫn

cứ để điện đến hết ca trực, điều này gây lãng phí điện rất lớn, đặc biệt trong hoàn cảnh nước ta đang thiếu điện một cách trầm trọng như hiện nay

Trên thị trường hiện nay đã có một số thiết bị bật tắt đèn thông minh, như SmartLight do Hàn Quốc sản xuất: Được tích hợp sensor cảm ứng hồng ngoại thân nhiệt, đèn sẽ tự động được bật khi có người đi vào vùng cảm ứng và tắt khi không có người

Hình 2.1: Đèn thông minh Smartlight

SmartLight phù hợp với mọi nhu cầu chiếu sáng thông minh của bạn tại sân cổng, phòng khách, phòng ngủ, phòng vệ sinh, cầu thang, văn phòng giúp bạn bật tắt đèn

hoàn toàn tự động, mang lại sự an toàn, tiện nghi và tiết kiệm điện Tuy nhiên thiết bị này tích hợp luôn bộ điều khiển với đèn trong 1 sản phẩm Do đó giá thành cao và không thích hợp cho các phòng cần lượng chiếu sáng lớn, không thay đổi được loại bóng đèn theo yêu cầu.

Hệ thống giám sát điều khiển chiếu sáng sử dụng camera kết nối với máy tính

để kiểm soát số người trong phòng, qua đó phát lệnh đóng mở các công tắc tơ bật tắt bóng đèn

Hình 2.2: Hệ thống camera giám sát

Hệ thống này giúp việc bật tắt đèn ở nơi lắp đặt một cách chính xác, tự động hoặc bán tự động Tuy nhiên do sử dụng máy tính nên giá thành của hệ thống rất cao, mặt khác không giải quyết được vấn đề tiết kiệm điện Vì thế nó thường chỉ được sử dụng ở những tòa nhà công nghệ cao, những khu vực cần điều chỉnh chiếu sáng không phải vì mục đích tiết kiệm điện năng

Hệ thống bật tắt đèn tự động sử dụng các IC số và mạch Logic cho phép ta dựa vào lượng người vào ra để đóng ngắt các công tắc một cách tự động

Hình 2.3: Hệ thống bật tắt đèn thông minh dùng IC số

Hệ thống này có cấu tạo đơn giản, rẻ, không phải lập trình mà chỉ dựa vào các mạch Logic… nhưng tính linh động không cao, khó chỉnh định khi điều kiện làm việc thay đổi, ít có khả năng nâng cấp mở rộng hệ thống

Với những phòng họp công cộng, khi mà lưu lượng người không lớn và có thể kiểm soát được việc đếm người qua cửa thì ta hoàn toàn có thể áp dụng hệ thống đèn thông minh sử dụng Vi điều khiển được lập trình để bật đèn khi có người và tắt khi không có người Điều này vừa tiện lợi cho mọi người: ứng dụng công nghệ tự động hóa vào cuộc sống con người, đảm bảo đủ ánh sáng trong quá trình làm việc, người quản lý thì đỡ tốn thời gian… đồng thời góp phần giải quyết vấn đề tiết kiệm điện năng trong thời kỳ mà nhu cầu điện tiêu thụ đã vượt quá khả năng cung cấp của các nhà máy điện hiện nay

II THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT

Hệ thống điều khiển đèn thông minh gồm có 5 khối chính

Hình 2.4: Sơ đồ tổng quát hệ thống bật tắt đèn thông minh

• Khối Nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống

• Khối Cảm biến: Sử dụng sensor hồng ngoại dùng để thu nhận tín hiệu người vào

ra phòng, đưa tín hiệu thu được vào chân Pic để xử lý Để nhận biết người đi vào hay đi ra ta dùng 2 bộ thu phát hồng ngoại mắc gần nhau

• Khối xử lý: Dùng VDK Pic 16F877A để lấy tín hiệu từ cảm biến, tính toán, lưu trữ và đưa ra khối hiển thị và khối chấp hành

• Khối hiển thị: Lấy tín hiệu ra từ chân Pic để hiển thị số lượng người hiện đang ở trong phòng trên Led 7 thanh.Khối Chấp hành: Nhận tín hiệu từ khối xử lý để thực hiện đóng cắt tiếp điểm mạch động lực

Khối

xử lý

Khối chấp hành

Khối hiển thị

Khối

cảm

biến

Khối nguồn

Xử lýCảm biến

Module

Xử lýChương trình

Phân lượng người trong phòng

Bật đèn

Hiển thị

Số người

Tắt đènNgười ra

Người vào

Có người

Không người

2.4 CÁC KHỐI TRONG HỆ THÔNG

2.4.1 Khối nguồn

Module này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn xoay chiều 220V để cung cấp cho các linh kiện trong hệ thống Sử dụng biến áp để biến điện áp xoay chiều 220V thành điện áp xoay chiều 12V, dùng chỉnh lưu từ 12V xoay chiều sang 12V một chiều, dùng IC 7805 ổn áp để lấy ra điện áp ổn định 5V ở ngõ ra

bộ Thu- Phát song song và đặt cạnh nhau Tín hiệu thu được từ đầu ra của 2 Led thu được đưa vào 2 chân Vi xử lý để thực hiện quá trình tính toán, kiểm tra, lưu trữ…

Hình 2.8: khối thu phát hồng ngoại 2.4.3 Khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển Pic 16F877A Khi có tín hiệu ngắt

từ bộ thu hồng ngoại qua các chân RB4 và RB5 của cổng B thi Vi điều khiển sẽ kích hoạt ngắt cổng B từ RB4>>RB7, qua thuật toán đã nạp Pic thực hiện chương trình điều khiển đưa tới các cổng A, C, D tín hiệu để điều khiển khối hiển thị (Led 7 thanh) và khối chấp hành (module động lực)

Bộ tạo dao động dùng thạch anh 20M cung cấp ngồn dao động cho Pic

Bộ Reset cấp nguồn 5V và xác lập trạng thái ban đầu cho Pic

Để tiện cho việc kiểm tra theo dõi số người hiện đang ở trong phòng, ta sử dụng

2 Led 7 thanh mắc chung Anot với số người hiển thị tối đa là 99 người Tín hiệu điều khiển từ Vi xử lý đưa ra cổng C để bật tắt các thanh Led từ 1 đến 7( tích cực ở mức

dương) tương ứng với các con số từ 0 đến 9 cần hiển thị Để hiển thị cả hai Led ta dùng thuật toán quét Led với tín hiệu đưa ra từ cổng D quyết định Led 1 hay Led 2 được bật.

Bộ phận chấp hành có Role nối với thiết bị điện Vi xử lý sau khi xử lý tín hiệu

sẽ gửi lệnh điều khiển để đóng mở Transistor cấp nguồn cho cuộn dây của Role (dòng hoặc áp) Đèn điện được nối với nguồn 220V xoay chiều qua tiếp điểm của Role, khi Role tác động thì đèn bật lên và ngược lại đèn tắt khi Role thôi tác động Để đảm bảo cho hệ thống có thể làm việc ở cả hai chế độ bằng tay và tự động ta dùng công tắc 3 vị trí: ở vị trí 1 là chế độ làm việc tự động, còn vị trí 2 và 3 tương ứng với tắt/ bật đèn

2.5 LINH KIỆN SỬ DỤNG

2.5.1 LED HỒNG NGOẠI

a Led phát

Diode quang thường được chế tạo bằng gecmani và silic Hình 4 trình bày cấu

tạo của diode quang chế tạo bằng silic dùng làm bộ chỉ thị tia lân cận bức xạ hồng ngoại

Hình 2.13: Nguyên lý làm việc của diode quang

Led hồng ngoại có thể làm việc ở hai chế độ: chế độ biến đổi quang điện và chế

độ nguồn quang điện

Nguyên lý trong chế độ biến đổi quang điện: Lớp p được mắc vào cực âm của nguồn điện, lớp n mắc vào cực dương Phân cực ngược nên khi chưa chiếu sang chỉ có dòng điện nhỏ bé chạy qua ứng với dòng điện ngược (còn gọi là dòng điện tối) Khi có quang thông dòng điện qua mối nối p-n tăng lên gọi là dòng điện sáng

Nguyên lý làm việc của diode trong chế độ nguồn phát quang điện( pin mặt trời): Khi quang thông , các điện tích trên mối nối p-n được giải phóng tạo ra sức điện động trên 2 cực của diode, do đó làm xuất hiện dòng điện chảy trong mạch Trị số sức

Rt

- + P

N

N

điện động xuất hiện trong nguồn phát quang điện phụ thuộc vào loại nguồn phát và trị

số của quang thông

Giả sử điều kiện phân cực cho IC đã hoàn chỉnh ,khi IC nhận tín hiệu điều khiển

từ diode phát quang, mạch khuếch đại OP-amp của của IC sẽ biến đổi dòng điện thu được từ diode ra điện áp( điện áp này đươc khuếch đại) Tín hiệu điện áp được đưa đến Smith triger để tạo xung vuông, xung này có nhiệm vụ kích transistor ngõ ra hoạt động, lúc đó ngõ ra ở chân số 2 của IC ở mức thấp, tín hiệu ngõ ra tác động ở mức 0,

có thể được dùng đẻ điều khiển gián tiếp một tải nào đó Khi ngăn ánh sáng chiếu vào thì ngược lại không hoạt động dẫn dòng

2.5.2 LED 7 ĐOẠN

a Các khái niệm cơ bản

Trong các thiết bị, để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó cho người sử dụng với thông số chỉ là các dãy số đơn thuần, thường người ta sử dụng “ Led 7 đoạn ” Led

7 đoạn được sử dụng khi các thông số không đòi hỏi quá phức tạp, chỉ cần hiển thị số

là đủ, chẳng hạn Led 7 đoạn được sử dụng để hiển thị nhiệt độ phòng, trong các đồng

hồ trong các đồng hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm được kiểm tra sau một công đoạn nào đó …

b Sơ đồ vị trí các Led

Các điện trở 330Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điện qua Led nếu Led 7 đoạn được nối với nguồn 5V

Hình 2.15: Sơ đồ chân 7 SEG-COM-ANODE và hình ảnh minh họa

c Kết nối với Vi điều khiển:

Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của Led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1 Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển Led 7 đoạn Như vậy Led 7 đoạn nhận một

dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt của từng Led đơn trong

nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển Led 7 đoạn thường được gọi là "mã hiển thị Led 7 đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị Led 7 đoạn: mã dành cho Led 7 đoạn có Anode(cực +) chung và mã dành cho Led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để hiện thị số

1 cần làm cho các Led ở vị trí b và c sáng, nếu sử dụng Led 7 đoạn có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0) các chân còn lại được đặt điện áp là 5V(mức 1), nếu sử dụng Led 7 đoạn có Cathode chung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b và c điện áp là 5V(mức 1)

Phần cứng được kết nối với 1 Port bất kì của Vi điều khiển, để thuận tiện cho việc xử lí về sau phần cứng nên được kết nối như sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, lần lượt theo thứ tự cho đến Px.7 nối với chân h

2.5.3 TRANSISTOR

a Định nghĩa

Transistor được hình thành từ ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N ,nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ

tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau Cấu trúc này được gọi là Bipolar Junction Transitor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tính) Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi

là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

Hình 2.16: Hình ảnh transistor

b Nguyên tắc hoạt động của Transitor:

Trong chế độ tuyến tính hay còn gọi là chế độ khuyếch đại, Transitor là phần tử khuyếch đại dòng điện với dòng Ic bằng β lần dòng bazo (dòng điều khiển ) Trong đó β

là hệ số khuyếch đại dòng điện : I C = β.I B

2.5.4 TỤ ĐIỆN

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động

Hình 2.17: Một số loại tụ điện

2.5.5 RƠLE

Rơle 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 rơle điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển nguồn Kết cấu rơle gồm có một lõi sắt ,một cuộn từ và một tiếp điểm

Hình 2.19: IC ổn áp 7805 2.5.7 VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887A

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 I/O là 5 với 33 pin I/O Các đặc tính ngoại vi bao gồm các 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 Capture/so sánh/điều chế độ rộng 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 bên ngoài

• Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit Hai bộ so sánh

• 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

CHƯƠNG 3 : THỰC NGHIỆM

Để thiết kế được mạch điện điều khiển kho hàng thông minh chúng em đã

sử dụng phần mềm Proteus và phần mềm mềm biên dịch

4.1 Giới thiệu phần mềm Protues 7.10 Professional

Protues là phần mềm của hãng Labcenter, dùng để vẽ sơ đồ nguyên lý, mô phỏng và thiết kế mạch điện Gói phần mềm gồm có các phần mềm chính:

- ISIS dùng để vẽ sơ đồ nguyên lý và mô phỏng.

- ARES dùng để thiết kế mạch in.

Sau khi tải về, quá trình cài đặt bình thường Sau khi cài đặt thành công bạn sẽ thấy chương trình trong Start menu.

4.1.1 Vẽ sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch

4.1.1.1 Vẽ sơ đồ nguyên lý với ISIS Professional 7.10:

- Giới thiệu giao diện sử dụng:

Để vẽ sơ đồ nguyên lý, vào Start menu Khởi động chương trình, chương trình được khởi động và có giao diện như hình 4.1

3.1.1.1 Hình 4.1: Giao diện chương trình Protues 7.10

Phía trên và phía phải của chương trình là công cụ để ta có thể thiết kế sơ

đồ nguyên lý Phần giữa có màu xám là nơi chúng ta có thể làm việc.

Section mode: Chức năng chọn linh kiện.

Component mode: Dùng để lấy linh kiện trong thư viện linh kiện.

Đặt lable cho Wire.

Bus

Terminal: Chứa Power, Ground

Graph: Dùng để vẽ dạng sóng, datashet, trở kháng

Generator Mode: Chứa các nguồn điện, nguồn xung, nguồn dòng.

Voltage Probe Mode: Dùng để đo điện thế tại 1 điểm trên mạch, đây là dụng cụ chỉ có một chân và không có thật trong thực tế.

Curent Probe mode: Dùng để đo chiều và độ lớn của dòng điện tại 1 điểm trên Wire.

Virtual Instrument Mode: Chứa các dụng cụ đo dòng, áp và các dụng cụ này có thật trong thực tế.

3.1.1.2 Hình 4.2 Nhóm công cụ để vẽ các ký hiệu, chú thích.

- Một số tùy chọn của chương trình:

Set BOM Scrip: Dùng để xuất danh sách các loại, số lượng linh kiện có trong mạch Để thay đổi chọn System/Set BOM Scrip.

3.1.1.3 Hình 4.3 Lựa chọn tùy chọn của chương trình

Chúng ta có thể add, edit, delete các linh kiện mà chúng ta muốn.