Mạch đếm số người trong phòng và tự động bật tắt đèn

Mạch đếm số người trong phòng và tự động bật tắt đèn

DTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

Đề tài :

MẠCH KHÓA SỐ VÀ CẢM BIẾN KHÓI CHỐNG CHÁY

SVTH: Lê Quảng Đẩu

Sa Huỳnh Lộc

GVHD: Trần Thị Bích Ngọc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN 1-TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.2 Hướng nghiên cứu.

1.3.

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA THIẾT BỊ

PHẦN 2-KHỐI CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

2.1 Led thu phát hồng ngoại

2.2 LM324

2.3 Nguyên lí hoạt động, chức năng

PHẦN 3-KHỐI ĐIỀU KHIỂN

3.1 Cấu tạo vi điều khiển

3.2 Chức năng vi điều khiển trong mạch

PHẦN 4-KHỐI HIỂN THỊ

4.1 Led 7 đoạn

4.2 Transistor npn C1815

5.1 Ưu, nhược điểm của đề tài

5.2 Hướng phát triển và tối ưu

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở thành quen thuộc với nhiều người, bởi vì

sự phát triển của ngành kỹ thuật số ngày nay đã có ảnh hưởng rất lớn đến ngành kinh tếtoàn cầu Có người đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng ta là “ nền kinh

tế kỹ thuật số “, “số hóa” đã gần như vượt khỏi ranh giới của một thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu điểm của xử lý số như độ tin cậy trong truyền dẫn, tính đa thích nghi và kinh

tế của nhiều phần mềm khác nhau, tính tiện lợi trong điều khiển và khai thác mạng

Số hóa đang là xu hướng phát triển tất yếu của nhiều lĩnh vực kỹ thuật và kinh tếkhác nhau Không chỉ trong lĩnh vục thông tin liên lạc và tin học Ngày nay, kỹ thật số đã

và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển tự động, phát thanh truyềnhình, y tế, nông nghiệp…và ngay cả trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình

Ngay từ những ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng và ngành điện tử nóichung đã tạo ra nhiều bước đột phá mới mẽ cho các ngàng kinh tế khác và còn đảm bảođược yêu cầu của người dùng cả về chất lượng và dịch vụ Đồng thời kiến thức về kỹthuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất là sinh viên điện tử

Công nghệ kỹ thuật số có nhiều ứng dụng rộng rãi trong thực tế, với nhiều nhữngứng dụng rất tiện ích sử dụng trong kĩ thuật, trong đời sống, trong công nghiệp ở các nhàmáy và xí nghiệp sản xuất… và cả những tiện nghi trong ngôi nhà của chúng ta Mộttrong những ứng dụng tiện ích của kỹ thuật số đó là chức năng đếm với các mạch đếmnhư đếm sản phẩm, đếm số người vào phòng, thang máy hay đếm xe ra vào cổng… đóđều là những ứng dụng rất thực tế Và trong bài đồ án này em đã được nghiên cứu vềmạch đếm số người trong phòng đồng thời tự động bật tắt đèn

Ngày nay các dịch vụ công cộng ngày càng phát triển như các siêu thị, nhà hàng,các bệnh viện công cộng hay các buổi sự kiện… cần quản lí số lượng người ra vào đểbiết tình hình kinh doanh của siêu thị hay số người góp mặt trong các sự kiện Đây làmạch dùng để đếm số người hiện tại có trong phòng đồng thời tự động bật tắt đèn khi có

không thể tránh khỏi sai sót và đề tài chưa đựơc phát triển một cách hoàn hảo, mong quýthầy cô trong hội đồng khảo thí giúp đỡ để em có thể hoàn chỉnh kiến thức của mình

Em xin chân thành cảm ơn !

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.Mục đích, yêu cầu của đề tài

- Mục đích của đề tài là giúp đếm số người trong phòng hay trong siêu thị một cáchđơn giản, chính xác mà không gây nhầm lẫn, đồng thời tự động bật tắt đèn giúp tiết kiệmđiện

- Yêu cầu của mạch là phải chạy một cách chính xác,ổn định, gọn nhẹ, dễ lắp đặt, dễsửa chữa và giá thành không quá cao

1.2 Hướng nghiên cứu

- Yêu cầu đếm số người ra vào vì vậy sử dụng 2 cặp led thu phát hồng ngoại Đếmlên khi có người đi qua cặp led thứ nhất rồi tiếp tục qua cặp led thứ hai Đếm xuống thìngược lại

- Sử dụng các xung mức 1 hoặc mức 0 để tác động đến vi điều khiển sử dụng trongmạch bằng cách dùng IC LM324, so sánh điện áp đưa ra các mức xung tương ứng: mức1(5V), mức 0(0V)

- Sử dụng led 7 thanh (anode chung) để hiển thị kết quả , mã quét led được điềukhiển bởi IC 89C51

1.3 Các thông số của mạch

- Nguồn hoạt động: 5V DC

- Phạm vi đếm từ:00009999

- Sử dụng led thu phát hồng ngoại, hiển thị lên led 7 đoạn

- Tự động bật đèn khi có người đi vào, tắt đèn khi không có người trong phòng

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA THIẾT BỊ

Chức năng của từng khối:

- Khối cảm biến: phát hiện có người đi vào hoặc đi ra đồng thời phát xung mức 1 hoặc mức 0 đến vi điều khiển

- Khối vi xử lí: nhận xung từ khối cảm biến sau đó giải mã đưa ra các mã quét led tương ứng cho khối hiển thị đồng thời điều khiển đèn sáng tắt khi có người trong phòng

- Khối hiển thị: hiển thị số người còn lại trong phòng là bao nhiêu

- 3 khối này được nuôi bởi nguồn 5V DC

KHỐI CẢM BIẾN KHỐI XỬ LÍ KHỐI HIỂN THỊ

NGUỒN DC 5V

PHẦN 2: KHỐI CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

2.1 LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI

LED PHÁT

Led phát hay diode phát quang là 1 trong những linh kiện bán dẫn thuộc nhóm điện

quang, biến đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng, gồm 1 chuyển tiếp P-N

Hình 1: Cấu tạo và kí hiệu led phát

Các diode phát quang được chế tạo không phải trên cơ sở Silic(Si) hay

Gemani(Ge) như đa số các bán dẫn khác mà dựa trên cơ sở Astentic-Phosphist-Gali

Các diode phát quang này sáng khi có dòng điện thuận chạy qua nó

Nguyên lí làm việc:

Vùng P chứa các điện tích dương(lỗ trống), vùng N chứa các điện tích âm(electron) Khi chuyển tiếp P-N phân cực thuận, cực dương của nguồn sẽ đẩy các lỗ trống vùng P qua vùng N, ngược lại cực âm của nguồn sẽ đẩy các electron vùng N sang vùng P và kèm theo đó là hiện tượng tái hợp bức xạ làm phát ra ánh sáng hồng ngoại

Hiện tượng tái hợp bức xạ là hiện tượng giải phóng ra các hạt photon khi có sự tiếp xúc trực tiếp giữa điện tử và lỗ trống

Khi làm việc diode quang được phân cực nghịch nhờ nguồn điện áp Vcc và do đó

có một nguồn điện ngược ban đầu Io rất nhỏ Khi được ánh sáng chiếu vào có thêm dòng điện tạo bởi các hạt dẫn sản sinh nhờ năng lượng của photon chạy cùng chiều với dòng điện ngược Vì vậy, dòng điện tổng chạy qua tải có trị số tăng lên theo cường độ ánh sángchiếu vào

Hình 4: Hình ảnh led thu thực tế

2.2 LM324

LM324 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 4 bộ khuếch đại

thuật toán (Op-Amp) trong nó

Thông thường một bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) thì cần phải có nguồn nuôi đôi Tức là phải có nguồn nuôi dương và nguồn nuôi âm Chẳng hạn như Opamp 741 Tuy nhiên các Opamp trong LM324 được thiết kế đặc biệt để sử dụng với nguồn đơn Tức là chỉ cần nguồn và mass là đủ Một điều đặc biệt nữa là nguồn cung cấp của LM324 có thể hoạt động độc lập với nguồn tín hiệu Ví dụ nguồn cung cấp của LM324 là5V nhưng nó có thể làm việc bình thường với nguồn tín hiệu ở nguồn nuôi dương là 15V

và nguồn nuôi âm là -15V

Hình 5: Sơ đồ chân của LM324

Hình 6: Hình ảnh LM324

Vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạch với IC LM324:

-Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V.

-Áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với nguồn đôi -Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W

đến 40mA.

-Tần số hoạt động của LM324: 1MHz

Trong mạch, LM324 có nhiệm vụ so sánh điện áp:

V+>V-  Vout=Vs+(chế độ bão hòa dương)

V+<V-  Vout=Vs- (chế độ bão hòa âm)

2.3 KHỐI CẢM BIẾN TRONG MẠCH

Ngõ ra của biến trở làm ngõ vào đảo V- của op-am

Điện trở 10k có nhiệm vụ phân dòng đưa điện áp vào ngõ không đảo V+ của op-am theo công thức:

R ledthu

R ledthu+R × Vcc=V +¿

Rledthu tỉ lệ nghịch với cường độ ánh sáng chiếu vào Bình thường, khi không có người đi qua, led thu nhận toàn bộ ánh sáng từ led phát làm cho nội trở led thu giảm mạnh( gần về 0) R ledthu= 0 V+ = 0 V+ < V- Ngõ ra mức 0( 0V) Khi có người đi qua, lúc này led thu không còn nhận ánh sáng phát ra từ led phát, làm cho nội trở của led thu tăng mạnh( gần đến ∞) V+=5V, V+ > V- Ngõ ra mức 1(5V)

PHẦN 3 : KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN

3.1 CẤU TẠO VI ĐIỀU KHIỂN

Hình 1: Hình ảnh thực tế vi điều khiển

a Sơ lược về vi điều khiển:

Vi điều khiển AT89C52 là một vi điều khiển thuộc họ 8051, loại CMOS,có tốc độ

cao và công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được Nó được sản xuất với công

nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của hãng Atmel AT89C52 có 40 chân, được

đóng gói theo tiêu chuẩn PDIP

U2

9 18

30 31

1 2 3 4 5 6 7 8

21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17

39 38 37 36 35 34 33 32

RST XTAL2 XTAL1 PSEN

ALE/PROG EA/VPP

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD

P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7

Hình 3: Sơ đồ bên trong vi điều khiển

- Các đặc điểm tiêu chuẩn (của họ vi điều khiển 8051):

+ 4KB Flash ROM

+ 128 byte RAM

+ 4 cổng vào/ra song song 8 bit

+ 2 bộ định thời/đếm 16 bit

+ Kiến trúc 5 vectơ ngắt 2 mức (five vector two-level interruptarchitecture)

b Khảo sát, chức năng từng chân:

Nhóm chân nguồn nuôi :

- Nguồn nuôi +5V (chân số 40).

- Nối đất (chân số 20)

Chức năng của các chân tín hiệu:(Các cổng vào/ra song song)

- 8051 có 4 cổng vào/ra song song 8 bit là Port0, Port1, Port2, Port3

- Các cổng này có thể sử dụng như là cổng vào hoặc cổng ra

Cổng Port 0 (các chân 32÷39):

Là cổng vào/ra song song có hai chức năng Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng

bộ nhớ mở rộng, nó có chức năng như các đường vào/ra Trong các thiết kế cỡ lớn có

bộ nhớ mở rộng nó trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho Port nối

tiếpP3.1 TXD Dữ liệu phát cho Port nối

tiếpP3.2 /INT0 Ngắt ngoài 0P3.3 /INT1 Ngắt ngoài 1P3.4 T0 Ngõ vào Timer/Counter 0P3.5 T1 Ngõ vào Timer/Counter 1

Enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh Tín hiệu PSEN ở logic 0 trongthời gian vi điều khiển tìm nạp lệnh Các mã lệnh được đọc từ EPROM qua bus dữliệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của vi điều khiển để giải mã.Khi vi điều khiểnthi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức logic1.Chân cho phép chốt địachỉ ALE/PROG (Address Latch Enable):

- Chân tín hiệu ALE (chân 30) đưa ra xung điều khiển cho phépchốt byte thấp

của địa chỉ khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớ ngoài.Chân này cũng là đầu vào củaxung lập trình khi lập trình cho FLASH, khi đó chân tín hiệu ở mức 0 Khi hoạt độngbình thường, tín hiệu ALE được phát ra với tần số không đổi bằng 1/6 tần số của bộtạo dao động trên chip, và có thể sử dụng cho mục đích định thời Tuy nhiên, sẽ cómột xung ALE bị bỏ qua mỗi khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớ ngoài

- Chân tín hiệu truy xuất ngoài EA (External Access): Tín hiệu vàoEA

(chân 31) được nối với 5V (mức logic 1) hoặcvới GND (mức 0) Nếu ở mức 1, vi điềukhiển thi hành chươngtrình từ ROM nội Nếu ở mức 0, vi điều khiển sẽ thi hànhchươngtrình ở bộ nhớ mở rộng Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lậptrình choFLASH trong vi điều khiển.Chân thiết lập lại RST (Reset):

- Chân RST (chân 9) là đường vào xóa chính của vi điều khiển dùng để

thiết lập lại hệ thống Khi chân tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất là 2 chu kì máy,các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống RST

có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C

Hình 4: Mạch thiết lập lại cho 8051

- Các chân XTAL1, XTAL2: Các

chân này (chân 18, 19) nối với bộ tạo daođộng trên chip.Mạch tạo dao động như sau:

Hình 5: Mạch tạo dao động cho bộ tạo dao động trên chip của AT89C51

Tần số của dao động thường là 12MHz Khi đó tụ có giá trị 33pF.Chân VCC nối đến

+5V của nguồn cấp, chân GND nối đất

c Bộ nhớ trên chip:

RAM trong:

- Bộ vi điều khiển 8051 có 128 byte RAM trong bao gồm 32 byte đầu tiên (00Hđến 1FH) dành cho các thanh ghi, 16 byte tiếp theo (20H đến 2FH) là vùng RAM địnhđịa chỉ theo bit, sau đó là 80 byte RAM nháp

-Vùng thanh ghi có 32 byte, chia thành 4 khối (bank 0 đến bank 3),mỗi khối có 8thanh ghi (từ R0 đến R7)

- Ở vùng RAM định địa chỉ theo bit, các bit được đánh địa chỉ từ 00H đến 7FH

- Các thanh ghi chuyên dụng (SFRs – Special Function Registers):

- Các thanh ghi này có địa chỉ từ 80H đến FFH Chúng chứa nộidung của cácthanh ghi điều khiển

ROM:

- Bộ vi điều khiển AT89C51 có 4KB FLASH lập trình được

- ROM luôn chiếm vùng địa chỉ thấp nhất trong bộ nhớ chương trình

- Chế độ hoạt động của các Bộ định thời/Bộ đếm được cất trong thanh ghiTMOD:

- Nếu bit GATE xóa, các Bộ định thời/Bộ đếm được phép hoạt đông khi bit TR#

tương ứng trong thanh ghi TCON thiết lập Ngược lại,nếu GATE thiết lập thì các Bộđịnh thời/Bộ đếm chỉ hoạt động khicác chân INT# tương ứng tích cực (mức thấp)

- Bit C/T# dùng để lựa chọn chế độ hoạt động bộ đếm hay bộ địnhthời Nếu được

thiết lập thì nó hoạt đông theo chế độ đếm sự kiện,lúc này nguồn xung cho bộ đếm làxung ngoài đưa vào từ chân T# tương ứng (chân 14, 15) Nếu bị xóa, thì nó hoạt độngtheo chế độ định thời với nguồn xung là xung tạo ra từ bộ tạo dao đông trên chip saukhi chia 12

- Các bit M0, M1 dùng để xác dịnh chế độ đếm cho các bộ đếm: Sự hoạt động

của các Bộ định thời/Bộ đếm được điều khiển bởi thanh ghi TCON:

- Các bit TR# cho phép Bộ định thời/Bộ đếm hoạt động (nếu được thiết lập) hoặc

không cho phép chúng hoạt động (nếu bị xóa)

- Các bit TF# là các cờ tràn tương ứng với các Bộ định thời/Bộ đếm Chúng được

thiết lập khi xảy ra tràn và được xóa bằng phần cứng nếu khi đó bộ xử lý rẽ nhánh đếnchương trình phục vụ ngắt tương ứng

- Các bit IT# là các bit ngắt Thiết lập IT# tạo ra chế độ ngắt cạnh, chân INT#

nhận ra một ngắt khi nhận ra có một sườn âm (↓) của tín hiệu vào Xóa IT# tạo ra chế

độ ngắt mức, tức là ngắt được tạo ra khi tín hiệu vào ở mức thấp (0) Ở chế độ ngắtmức, khi tín hiệu vào còn ở mức thấp thì ngắt được tạo ra liên tục cho đến khi tínhiệuvào chuyển lên mức cao hoặc thiết lập IT#

- Các bit IE# là các cờ ngắt cạnh, được thiết lập khi dò thấy ngắt cạnh.

3.2 Chức năng của IC89c51 trong mạch

Hinh 6: Sơ đồ nguyên lí của vi xử lí trong mạch

Nguyên lí làm việc:

- Làm ngõ vào của ngõ ra op-am, IC 89c51 nhận xung từ 2 op-am để đếm lên

hoặc đếm xuống

- Sau đó, giải mã số đếm thành các mã quét led tương ứng, các mã quét led này

được đưa ra port2

phương pháp chốt phải sử dụng thêm các IC chốt khiến mạch trở nên phức tạp.Nhược điểm của phương pháp quét là chỉ sử dụng được số led hiển thị ít khoảng 20led trở xuống vì khi số lượng led quá lớn thì thời gian mỗi led sáng sẽ ít, led sángkhông rõ Nguyên lí làm việc: dựa trên hiện tượng lưu ảnh của mắt

- Đồng thời nếu còn người trong phòng thì chân P3.4 sẽ điêu khiển led đơn

sáng Khi còn người trong phòng chân P3.4 sẽ tích cực mức 0, đèn sáng và ngượclại

- Nút bấm được nối với chân reset để thiết lập lại trạng thái ban đầu.

4.1 Led 7 đoạn anode chung

Là 7 con led sắp xếp lại theo hình mẫu Một chân của các con led được nối chung với nhau (Anod chung hoặc Katod chung), các chân còn lại được đưa ra ngoài để phân cực các con led