Báo cáo Kỹ thuật Vi Xử Lý

Đối với những sinh viên ngành Điện tử Viễn thông chúng em, việc học tập và làm việc với các hệ thống như trên là nhiệm vụ cốt yếu và mang tính căn bản. Vì các hệ thống này trên thực tế được xây dựng dựa trên những kiến thức tổng hợp của chuyên ngành. Do đó, việc thực hiện bài tập lớn môn Kĩ thuật vi xử lý, với đề tài : “ Cảm biến chuyển động ” là một cơ hội rất tốt cho nhóm nghiên cứu chúng em được vận dụng những kiến thức đã học vào trong thực tế, cụ thể dự án này giúp cho chúng em có điều kiện tìm hiểu sâu hơn về bộ vi xử lý PIC và thực hiện một số ứng dụng đơn giản.

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: XÁC ĐỊNH YÊU CẦU ĐỀ TÀI 7

1.1 Yêu cầu chức năng 7

1.2 Yêu cầu phi chức năng 7

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống 9

1.4 Kế hoạch thực hiện phân công công việc 10

1.4.1 Kế hoạch và tiến độ thực hiện 10

1.4.2 Kế hoạch phân công công việc 13

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 14

2.1 Khối xử lý 14

2.1.1 Vi điều khiển PIC16F877A 14

2.1.2 Mạch xử lí trung tâm 20

2.2 Khối nguồn 21

2.3 Khối cảm biến 21

2.3.1 Giới thiệu chung về PIR 21

2.3.2 Cấu tạo của PIR 23

2.3.3 Nguyên lý làm việc của đầu dò PIR 26

2.4 Khối hiển thị 27

2.5 Khối thông báo 29

CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN SẢN PHẨM 31

3.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 31

3.2 Sơ đồ Layout mạch 32

3.3 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 33

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

PHỤ LỤC A: ĐÓNG GÓP CÁC THÀNH VIÊN 37

PHỤ LỤC B: SOFTWARE CODE 38

PHỤ LỤC C: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 50

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Sơ đồ khối của toàn hệ thống 9

Hình 2: Hình ảnh thực tế của PIC 16F877A 14

Hình 3: Sơ đồ chân của PIC16F877A 15

Hình 4: Sơ đồ khối chức năng 16

Hình 5: Sơ đồ khối của PIC16F887 19

Hình 6: Sơ đồ nguyên lí khối xử lý 20

Hình 7: Adapter 5V-1A 21

Hình 8: Hình ảnh thực tế của cảm biến PIR 22

Hình 9: Cách dùng đầu dò PIR để phát hiện người hay con vật di chuyển ngang 23 Hình 10: Hình ảnh các phân tử nhiệt 24

Hình 11: Dùng vật liệu pyroelectric để cảm ứng với tia nhiệt 24

Hình 12: Sơ đồ nguyên lí cảm biến PIR 25

Hình 13: Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt .26 Hình 14: Hình ảnh thực tế LCDLM016L 27

Hình 15: Sơ đồ chân của LCD 28

Hình 16: Hình ảnh thực tế của còi Buzzer 29

Hình 17: Sơ đồ nguyên lí khối thông báo 30

Hình 18: Mô phỏng trên proteus 31

Hình 19: Sơ đồ Layout mạch 32

Hình 20: Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 33

Hình 21: Mạch ở trạng thái ban đầu 34

Hình 22: Mạch khi phát hiện chuyển động 34

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Bảng kế hoạch và tiến độ thực hiện 10

Bảng 2: Bảng phân công công việc 13

Bảng 3: Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC 16F877A 17

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật điện tử ngày càng phát triển mạnh mẽ cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹthuật, đời sống xã hội ngày càng phát triển dựa trên những ứng dụng của khoa học vào đờisống Trong quá trình phát triển đó không thể không kể đến sự ra đời của vi điều khiển với

đa tính năng đang được ứng dụng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực

kĩ thuật và đời sống xã hội Hầu hết các thiết bị được điều khiển tự động, từ các thiết bị vănphòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển nhằm đem lại sựtiện nghi cho con người trong thời đại công nghiệp hoá, hiện đại hoá

Đối với những sinh viên ngành Điện tử -Viễn thông chúng em, việc học tập và làmviệc với các hệ thống như trên là nhiệm vụ cốt yếu và mang tính căn bản Vì các hệ thốngnày trên thực tế được xây dựng dựa trên những kiến thức tổng hợp của chuyên ngành Do

đó, việc thực hiện bài tập lớn môn Kĩ thuật vi xử lý, với đề tài : “ Cảm biến chuyển động ”

là một cơ hội rất tốt cho nhóm nghiên cứu chúng em được vận dụng những kiến thức đã họcvào trong thực tế, cụ thể dự án này giúp cho chúng em có điều kiện tìm hiểu sâu hơn về bộ

vi xử lý PIC và thực hiện một số ứng dụng đơn giản

Tuy nhiên, trong quá trình làm bài tập lớn, do thời gian cũng như trình độ hiểu biếtcủa các thành viên trong nhóm nghiên cứu còn hạn chế nên xảy ra nhiều sai sót không thểtránh khỏi Rất mong thầy và các anh góp ý bổ sung để nhóm chúng em hoàn thiện hơn vềkiến thức cũng như rút kinh nghiệm cho các đề tài sau Nhóm nghiên cứu chúng em xinchân thành cảm ơn

Nhóm thực hiện

CHƯƠNG 1: XÁC ĐỊNH YÊU CẦU ĐỀ TÀI

1.1 Yêu cầu chức năng

 Thiết bị có chức năng phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt

 Thiết bị có thể phát hiện chuyển động thân nhiệt và thông báo hiển thị trên LCD

 Mạch sử dụng cảm biến chuyển động, gửi lệnh cho PIC xử lý, và có thể gửi kết quả cho thiết bị di động

 Thiết bị có chức năng hiển thị bằng LCD

 LCD hiển thị thông báo nhận được và báo động tín hiệu ra loa

 Mạch có chức năng thông báo trạng thái của mạch bằng cách hiển thị trên LCD và qua các kết nối thiết bị ngoại vi như: loa, thiết bị di động

1.2 Yêu cầu phi chức năng

 Mạch sử dụng cảm biến PIR phát hiện chuyển động bằng cách đo những thay đổi bức xạ hồng ngoại phát ra bởi các đối tượng Khi phát hiện chuyển động cảm biếnPIR sẽ xuất ra 1 xung ở mức cao, xung này được đọc bởi vi điều khiển để thực hiện chức năng mong muốn

 Thông số kỹ thuật PIR:

 Phạm vi phát hiện : góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 7m

 Nhiệt độ hoạt động : 32-122F (50 độ C)

 Điện áp hoạt động : DC 3.8V-5V

 Mức tiêu thụ dòng : <=50uA

 Thời gian báo : 30 giây, có thể tùy chỉnh bởi biến trở

 Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở

 Kích thước : 1,27*0.96*1,0(32,2*24,3*25,4mm)

 Khối nguồn sử dụng nguồn điện lấy từ điện lưới, sử dụng Adapter 5V

 Ứng dụng:

 Sản phẩm được sử dụng là thiết bị chống trộm

 Sau khi hoàn thành, thiết bị hoàn toàn có thể phát triển thêm để trang trí, hoặc phát triển để kết hợp với các loại mạch khác như loa (tương tác với máy tính, smartphone…), đồng hồ… với nhiều công dụng hơn trong 1 sản phẩm

 Hiệu năng sử dụng

 Độ chính xác tương đối cao

 Độ bền: ở nhiệt độ thường sản phẩm có độ bền từ 2-3 năm

 Kích thước và khối lượng

 Kích thước: thiết bị có dạng hình hộp chữ nhật với mặt đáy 10cmx10cm, chiều cao tầm 3cm

 Khối lượng: khoảng 100g

 Môi trường hoạt động

 Nhiệt độ thích hợp (10-50 độ C) đảm bảo cho sản phẩm hoạt động ổn định

và bền bỉ

 Độ ẩm : 30-80%

 Sản phẩm không có khả năng chống nước

 Thời gian thực hiện: sản phẩm có thể được thực hiện và hoàn tất trong vòng 3 tháng

 Giá thành: giá thành linh kiện, mạch in, và các chi phí phát sinh cho sản phẩm vào khoảng 300 – 400 ngàn đồng

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống được thể hiện trong Hình 1, với 5 khối chính : Khối điều khiển,

Khối hiển thị, Khối nguồn, Khối cảm biến và Khối thông báo

Hình 1: Sơ đồ khối của toàn hệ thống

1.4 Kế hoạch thực hiện phân công công việc

1.4.1 Kế hoạch và tiến độ thực hiện

Bảng 1: Bảng kế hoạch và tiến độ thực hiện

Thời gian thực hiện

Tiến độ Kết quả và

đánh giá

Chú thích

1 Họp nhóm Tất cả Tuần 24 100% -Đã lên

được kế hoạch thực hiện và phân chia công việc

rõ ràng.

-Các thành viên tham gia đầy đủ,

có ý thức đóng góp ý kiến, xây dựng kế hoạch.

2 Tìm hiểu và cài

đặt phần mềm

Tất cả Tuần 24 100% -Tìm được

các phần mềm với phiên bản phù hợp + tài liệu hướng dẫn

sử dụng đầy đủ.

-Lê Văn Thuận

Tuần 30 80% -Đã có ý

tưởng thiết

kế, vẽ mạch nháp cho các

-Giao deadline cho 2 thành viên đảm

-Chưa mô phỏng để test.

nhận việc thực hiện mạch nguyên

lý và mô phỏng

5 Tìm hiểu code

dựa theo mạch

nguyên lý

-Trịnh Quang Truyền

-Lưu Thị Hồng Thắm

Tuần 31 + 32

70% -Code mới

chỉ hoàn chỉnh phần thiết lập trạng thái vào ‘0’ và

‘1’

-Cần tiếp tục tìm hiểu phần code còn lại theo deadline được giao (trong nửa tuần

32 còn lại)

6 Thực hiện mô

phỏng test thử

-Nguyễn Thị Thảo

Tuần 33 100% -Mô phỏng

hoạt động đúng như mong đợi.

-Lưu kết quả để làm báo cáo.

7 Thực hiện mạch

in + mạch thật

-Trịnh Quang Truyền

-Lê Văn Thuận

Tuần 33 100% -Thực hiện

chuyển từ mạch đã vẽ trên

Proteus sang mạch

in, sắp xếp các linh

-Tìm nơi đặt mạch

uy tín và

có giá thành hợp lý sau đó báo lại

kiện sau đó

đi đặt mạch.

cho nhóm

8 Thực hiện đo

kiểm thử

-Nguyễn Thị Thảo

-Lưu Thị Hồng Thắm

Tuần 38 100% -Kết quả

đo kiểm thử khá chính xác, mạch hoạt động tốt, đáp ứng các yêu cầu chức năng

1.4.2 Kế hoạch phân công công việc

Bảng 2: Bảng phân công công việc

ST

T

Họ và tên MSSV Công việc đảm nhận Đánh giá Chú

thích Chính Tham gia

1 Trịnh Quang

Truyền

2015400 7

Thiết kế mạch, tìm hiểu và code, làm báo cáo

Tìm hiểu PIC, thực hiện mạch thật

-Các thành viên đều hoàn thành tốt

2 Lê Văn Thuận 2015365 Tìm hiểu về Làm báo

8 cảm biến

PIR, Proteus

cáo, tìm tài liệu sử dụng phần mềm, tìm hiểu code

công việc

đã đảm nhận và tham gia cùng thực hiện, góp

ý cho các công việc của thành viên khác

-Việc thực hiện công việc theo deadline cũng không bị vượt quá thời hạn nhiều.

3 Lưu Thị Hồng

Thắm

2015347 8

Tìm hiểu về

vi điều khiển PIC16F877A , thực hiện mạch thật

Tìm hiểu PIC, thiết

kế mạch, chỉnh sửa báo cáo, tìm hiểu code

4 Nguyễn Thị

Thảo

2015344 8

Tìm hiểu nguyên lý mạch, các yêu cầu chức năng và phi chức năng,

vẽ mạch đã thiết kế

Tìm hiểu PIC, thiết

kế mạch, chỉnh sửa báo cáo

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Khối xử lý

2.1.1 Vi điều khiển PIC16F877A

 Sơ đồ chân và hình dạng thực tế

PIC (Peripheral Interface Controller) là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới,với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Microchip theocông nghệ RISC, có kiến trúc HARVARD (bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệuđược truy xuất độc lập với nhau), mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bitkhác như AVR, Pisoc PIC có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người

sử dụng so với họ 8051, 89xx Nó ổn định hơn, có khả năng tích hợp và mềm dẻo

hơn trong việc lập trình Hình 2 thể hiện hình ảnh thực tế, và Hình 3 là sơ đồ chi tiết

chân của Vi điều khiển 16F877A

Hình 2: Hình ảnh thực tế của PIC 16F877A

Hình 3: Sơ đồ chân của PIC16F877A

PIC16F877A có đầy đủ tính năng của họ PIC, so với các loại khác thì giá thành là vừaphải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển

 Một vài thông tin về vi điều khiển PIC16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC 16xxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 8bit.Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kỳ xung clock Tốc độ hoạt động tối đacho phép là 20MHz với 1 chu kỳ lệnh là 200ns Bộ nhớ Flash chương trình là 8192words và bộ nhớ dữ liệu là 368 bytes SRAM cộng với 256 bytes EEPROM Số PortI/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 vàoxung clock ngoại vi ngay khi 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 SPI (Synchronous Serial Port), SSP I2C

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 Chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR

và CS ở ngoài

Các đặc tính Analog:

 Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

 Hai bộ so sánh

Hình 4: Sơ đồ khối chức năng

 Các đặc tính khác:

 Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

 Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000.000 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 chuyên dụng

 Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua hai chân

 Watchdog Timer với bộ dao động trong.

 Chức năng bảo mật chương trình

 Chế độ Sleep

 Có thể hoạt động dưới nhiều dạng Oscillator khác nhau

Bảng 3: Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC 16F877A Đặc điểm PIC 16F877A

Bộ nhớ chương trình Flash (14-bit

Các module capture/ compare/PWM 2

 Sơ đồ khối hoàn chỉnh của PIC 16F877A

Gồm các khối:

- Khối ALU – Arithmetic Logic Unit

- Khối bộ nhớ chứa chương trình – Flash Program Memory

- Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EPROM – Data EPROM

- Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Register

- Khối giải mã lệnh và điều khiển – Instruction Decode Control

- Khối thanh ghi đắc biệt

- Khối ngoại vi timer

- Khối giao tiếp nối tiếp

- Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC

- Khối các port xuất nhập

Hình 5: Sơ đồ khối của PIC16F887

2.1.2 Mạch xử lí trung tâm

Sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm:

Hình 6: Sơ đồ nguyên lí khối xử lý

2.2 Khối nguồn

Hình 7: Adapter 5V-1A

- Các linh kiện ở các khối đều hoạt động tốt ở mức điện áp ~5V DC.

- Mạch sử dụng nguồn lấy từ Adapter 5V-1A như trong hình 7 để cung cấp đủ dòng cho

toàn bộ các khối

- Trong mạch có dùng led màu đỏ để làm led chỉ thị cho nguồn 5V

2.3 Khối cảm biến

2.3.1 Giới thiệu chung về PIR

PIR là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động

dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từcác vật thể nóng Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là

ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồngngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ

đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động Cảm biến nàygọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động)

mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như conngười con vật

 Trước hết, chúng ta tìm hiểu cấu trúc của một cảm biến PIR (Bạn xem hình bên dưới).

Hình 8: Hình ảnh thực tế của cảm biến PIR

Trên đây là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, mộtchân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có thể từ 3 đến 15V Góc

dò lớn Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu

có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại

Hình 9: Cách dùng đầu dò PIR để phát hiện người hay con vật di chuyển ngang.

2.3.2 Cấu tạo của PIR

Lý thuyết chung về tia nhiệt:

Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ li ti, nhiệt là một dạng năng lượng tạo

ra từ các xao động của các phân tử (Bạn xem hình), đó là các chuyển động hỗn loạn, khôngtrật tự Từ các xao động này, nó phát ra các tia nhiệt, bằng cảm giác thông thường của giácquan, con người chúng ta nói đó là sức nóng Ở mỗi người nguồn thân nhiệt thường đượcđiều ổn ở mức 37 độ C, đó là nguồn nhiệt mà ai cũng có và nếu dùng linh kiện cảm ứngthân nhiệt, chúng ta sẽ có thiết bị phát hiện ra người, đó chính là ý tưởng mà người ta chế rathiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động

Hình 10: Hình ảnh các phân tử nhiệt

Hình vẽ sau đây cho thấy vật liệu nhóm pyroelectric được dùng làm cảm biến dò tianhiệt

Hình 11: Dùng vật liệu pyroelectric để cảm ứng với tia nhiệt

Người ta kẹp vật liệu pyroelectric giữa 2 bản cực, khi có tác kích của các tia nhiệt, trênhai 2 bản cực sẽ xuất hiệu tín hiệu điện, do tín hiệu yếu nên cần mạch khuếch đại

Trong bộ đầu dò PIR, người ta gắn 2 cảm ứng PIR nằm ngang, và cho nối vào cực Gate(chân Cổng) của một transistor FET có tính khuếch đại Khi cảm biến pyroelectric thứ nhấtnhận được tia nhiệt, nó sẽ phát ra tín hiệu và khi nguồn nóng di chuyển ngang, sẽ đến cảm

biến pyroelectric thứ hai nhận được tia nhiệt và nó lại phát ra tín hiệu điện Sự xuất hiện của

2 tín hiệu này cho nhận biết là đã có một nguồn nhiệt di động ngang và mạch điện tử sẽ phát

ra tín hiệu điều khiển Tín hiệu này có thể dùng tắt mở đèn hay dùng để báo động khi có kẻ

lạ vào nhà

Từ nguyên tắc trên người ta tạo ra cảm biến PIR bằng cách gắn hai cảm ứng pyroelectrictia nhiệt nằm ngang và được nối vào cực Gate của một transistor FET để khuếch đại tín hiệuđiện, có 3 ngõ ra Chân 1 (Drain) nối với Vcc, chân 2 (Source) tín hiệu output ngõ ra củacảm biến Chân 3 (Ground) nối mass Ngoài ra phía trên 2 cảm ứng pyroelectric tia nhiệtngười ta gắn thêm một tấm kính để lọc lấy tia nhiệt (tia hồng ngoại) Và có dạng:

Hình 12: Sơ đồ nguyên lí cảm biến PIR 2.3.3 Nguyên lý làm việc của đầu dò PIR

Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại,qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng