Đề tài hệ thống tự động điều khiển trong ngôi nhà thông minh luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

đồ án, thạc sĩ, tiến sĩ, khóa luận, luận văn, đề tài, chuyên đề

MUC LUC Lời cám ơn

Lời mở đầu

CHƯƠNG [: khái niệm ngôi nhà thông minh

I Định nghĩa ĂS- Son cecserecee

II Những chỉ tiêu kỹ thuật của ngôi nhà thông minh

1 Chỉ tiêu về ánh sáng

2 Chỉ tiêu về thông gió

3 Chỉ tiêu về nhiệt độ

4 Chỉ tiêu về an toàn

II Giới hạn trong việc thiết kế đồ án

1 Những yêu cầu và phạm vi có thể giải quyết

2 Yêu cầu kỹ thuật của ngôi nhà thông minh

IV Phương án thiết kế các hệ điều khiển trong ngôi nhà thông minh

1 _ Yêu câu kỹ thuật cụ thể

2 Sơ đồ chức năng của hệ thống

3 Giơi thiệu cảm biến ánh sáng

4 Thiết kế bộ chuyển đổi ADC

5 Khao sat họ vi điều khiển 89C5I

IV Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng

Nguyên tắc hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng

V._ Giới thiệu sơ lược về họ IC SL9148 và SL9149

1 Mạch phát SC9148§

2 Mạch thu SC9149

VỊ Tính toán giá trị linh kiện

VII Lưu đồ giải thuật và chương trình

1 Lưu đồ giải thuật mạch cảm biến

2 Chương trình điều khiển thiết bị thông qua cảm biến

CHƯƠNG III: Thiết kế hệ thống báo cháy và hiển thị nhiệt độ

I Giới thiệu mạch báo cháy

% Sơ đỗ chức năng mạch cẩm biến nhiệt

II Các phương pháp đo nhiệt độ

1 _ Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở

2 Đo nhiệt bằng IC

2.1 Giới thiệu

2.2 Nguyên lý chung của IC đo nhiệt đệ

II Mạch cảm biến nhiệt độ 5-5555 557557

IV Nguyên tắc hoạt động của mạch cảm biến nhiệt độ

V Mạch hiển thị nhiệt độ

VỊ Tính toán giá trị linh kiện

VII Sơ đồ nguyên lý cụ thể -

CHƯƠNG IV: Thiết kế hệ thống bảo đảm an ninh

I Thiết kế hệ thống đóng mở cửa

1 Khái niệm

2 Yêu cầu kỹ thuật cụ thể

3 Phương án giải quyết kỹ thuật cụ thể

\t Sơ đồ chức năng hệ thống mở cửa tự động

4 _ Tính toán giá trị linh kiện trong mạch

5 _ Sơ đồ nguyên lý cụ thể

6 _ Lưu đổ giải thuật và chương trình

6.1 Lưu đồ giải thuật của mạch cửa tự động

6.2_ Chương trình điều khiển cửa bằng Password

II Thiết kế thiết bị chống trộm

2 Chỉ tiêu đặt ra cho thiết bị chống trộm

3 Phương án giải quyết chống trộm cụ thể

4 _ Sơ đồ nguyên lý mạch chống đột nhập

5 _ Mạch tạo tiếng kêu đặc trưng

6 _ Tính toán giá trị linh kiện

8 Em = Ý£®€£''ỶÃ'Y' Ô 75

I;0005 76

Tài liệu tham khảo.

CHUONG I KHÁI NIEM CO BAN CUA NGOI NHA THONG MINH

Ngôi nhà thông minh khác với ngôi nhà bình thường ở chỗ, nó là một quá

trình tích hợp của các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát môi trừơng: hệ

điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đầm bảo lượng gió trong nhà, hệ thống đảm

bảo ánh sáng mạch đóng ngắt, điều khiển cổng ra vào, giám sát cảnh báo cháy

Anh sáng có thể được tắt mở thông qua hệ thống tự động điều khiển hoặc

điều khiển từ xa Ngoài ra thiết bị ánh sáng cần được kết nối với một số thiết bị trong nhà như: thiết bị báo trộm, báo cháy

2.2 Chỉ tiêu về thông gió:

Đảm bảo lượng gió vừa đủ, tốc độ gió phù hợp với yêu cầu chung

Ngoài ra lượng gió va tốc độ của gió có thể được thay đổi tuỳ theo yêu cầu

nhiệt độ).

CHUONG I KHÁI NIỆM CƠ BAN CUA NGOI NHA THONG MINH

2.4 Chi tiêu về an toàn:

Cần đảm bảo việc phát hiện và cảnh báo khi có người lạ xâm nhập, như phát loa báo, bật đèn, tự động liên hệ với công an, tự động đóng kín các cửa ra vào Cần đảm báo an toàn về độ bến, tuỳ theo từng vùng mà cảnh báo về độ bền của

ngôi nhà khi có bão, hoặc gặp hoả hoạn

II Giới hạn trong việc thiết kế đồ án:

3.1 Những yêu cầu và phạm vi có thể giải quyết:

Trong đồ án ngôi nhà thông minh để giới hạn nội dung công việc chỉ chọn

ngôi nhà 1 lầu, 4 phòng và có các hệ thống điều khiển sau:

- _ Thiết kế hệ thống ánh sáng trong nhà: thiết kế ánh sáng trong phòng khách

3.2 Yêu cầu kỹ thuật của ngôi nhà thông minh:

Các hệ thống thiết bị cần được thiết kế một cách gọn nhẹ, không được quá cổng kênh, mạch thiết kế gọn ở mức tối da mà vẫn đảm bảo đây đủ chức năng như yêu cầu

Giá cả lắp ráp ở mức độ phù hợp, cần lựa chọn linh kiện phù hợp, giá thành

rẻ mà vẫn đảm bảo được về chất lượng

Các thiết bị cần được bảo đảm về độ bền chất lượng

Các thiết bị tự động cân được cô lập với các thiết bị bình thường trong nhà, nhằm tránh trường hợp gặp sự cố

IV Phương án thiết kế các hệ điều khiển trong ngôi nhà thông

minh:

4.1 Hệ thống đảm bảo ánh sáng:

Yêu câu kỹ thuật:

Thiết bị cân được thiết kế phải gọn nhẹ, dễ lắp đặt, đẩm bảo ánh sáng luôn luôn vừa đủ, lượng điện tiêu hao vừa phải

Có thể đóng ngắt được khi cần thiết

Các phương pháp và lựa chọn:

Đối với hệ thống ánh sáng thường thì có hai kiểu là: ánh sáng thay đổi khi điện áp thay đổi hoặc điều khiển số lượng đèn khi ánh sáng xung quanh thay đối Kiểu ánh sáng thay đổi theo điện áp có độ chính xác cao, độ điều chỉnh ánh sáng

có dithay đổi là rất nhỏ, mắt người khó phát hiện ra được Tuy nhiên, phan lập trình khá phức tạp Còn với kiểu điều khiển tăng giảm đèn khi ánh sáng thay đổi, cách này mắt người dễ phát hiện, tuy nhiên phần lập trình đơn giản hơn

CHUONG I KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Do thời gian có hạn và đây cũng là phương án thông dụng tại nước ta nên

em quyết định chọn phương án điều khiển số lượng đèn khi ánh sáng xung quanh thay đổi

Uu điểm:

Cảm biến khá chính xác

Điều khiển đơn giản khi điểu khiển nhiều đèn

Dễ thay đổi điều khiển

Giá thành vừa phải

Yêu cầu kỹ thuật:

Thiết bị được thiết kế cần được đảm bảo gọn nhẹ, có tính bảo mật cao, mức

độ xử lý chính xác cao Có khả năng đảm bảo mức độ an toàn của ngôi nhà cao Các phương án và lựa chọn:

Đối với nhà mở cửa tự động, hiện nay có rất nhiều cách:

e Tự động mở cửa khi có người đi tới

e _ Tự động mở cửa, khi nhận dạng dạng giọng nói của chủ nhân

e Tự động mở cửa khi chủ nhà nhập đúng password như đã thiết lập Trong những trường hợp trên, ta chọn phương án: tự động mở cửa khi chủ nhà nhập đúng password như đã thiết lập Vì phương án này bảo mật cao, phù hợp với việc sử dụng trong các nhà thông minh

Uu điểm:

Chế độ bảo mật cao

Có thể thay đổi password khi password cũ bị tiết lô

Giá linh kiện không quá cao

Nhược điểm:

Thiết kế phức tạp

Phải thiết lập chương trình hoạt động

Mạch hoạt động phải gắn gần bàn phím để giảm nhiễu.

CHUONG I KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NGÔI NHA THONG MINH

==

4.3 Hệ thống chống trộm cảm biến:

Yêu câu kỹ thuật:

Mạch cần đầm bảo được đúng chức năng, bảo vệ an toàn, mạch cần thiết kế

đơn giản, không chiếm diện tích, không kông kénh

Các phương án và lựa chon:

Hiện nay có rất nhiều các thiết bị chống trộm hiệu quả được nhiễu người sử dụng là: hệ thống chống trộm bằng tia hồng ngoại, hệ thống chống trộm thông qua chuyển động, mạch chống trộm cẩm biến cơ thể người

Vì ta lấp đặt việc đóng mở cửa bằng việc nhấn password nên phương án

chống trộm bằng cảm biến cơ thể người là việc thích hợp và hiệu quả hơn các trường hợp kia, Mặt khác việc thiết kế bằng phương án này đơn giần và tiết kiệm chi phí hơn những trường hợp đã nêu trên

Chỉ chống trộm khi trộm chạm vào thiết bị nhà

Không cảnh báo được từ xa

Việc chống trộm chỉ được lắp đặt ở các cửa ra vào

4.4 Phương án thiết kế hệ thống báo cháy có hiển thị nhiệt độ:

Yêu cầu kỹ thuật:

Phải đầm bảo thiết bị nhận biết nhiệt độ chính xác, dễ lắp đặt trong nhà, thiết

kế với giá cả phù hợp, thiết bị phải gọn nhẹ, không kéng kénh, phải đảm bảo an

toàn cho ngôi nhà, phát hiện và báo động kip thời

Các phương án và lựa chon:

Đối với thiết bị báo cháy, thông thường ta sử dụng hệ thống cảm biến nhiệt

độ, đây là phương pháp phổ thông và thông dụng nhất hiện nay, ngoài ra còn có

phương pháp cảm biến độ bền vật liệu để nhận biết độ an toàn của ngôi nhà, tuy

nhiên phương pháp này ít được sử dụng tại nước ta

Do đó ta chọn phương pháp cảm biến nhiệt độ của môi trường

CHUONG II NN HE THONG DAM BAO ANH SANG TRONG NHÀ

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG

TRONG NHÀ

I Khái niệm về ánh sáng:

Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện tử có bước sóng nằm

trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường( tức là từ khoảng 400nm

đến 700nm) Giống như mọi bức xạ điện tử, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon Anh sáng do mặt trời tạo ra còn được gọi

là ánh nắng; do mặt trăng tạo ra gọi là ánh trăng; do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát ra gọi là ánh sáng sinh học

“Anh sáng lạnh” là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quanh quang phổ xanh lam “ánh sáng nóng” là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ Anh sing có quang phổ trải đều từ đồ đến lam là ánh sáng trắng] cò ánh sáng có bước sóng tập trung tại vùng quang phổ rất hẹp gọi là “ánh sáng đơn sắc”

Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào

cắm thụ ánh sáng trong mắt người Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người, cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba mau sắc khác nhau) Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên cảm giác mầu sắc phong phú

Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình, người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng

ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của người

Tế bào cảm giác màu đỏ và màu lục có phổ hấp thụ rất gần nhau Do vậy

mắt người phân biệt được rất nhiều màu nằm giữa màu đỏ và lục (màu vàng, da cam, xanh nõn chuối ) Tế bào cẩm giác màu lục và màu lam có phổ hấp thụ nằm

xa nhau Nên mắt người phân biệt về các màu xanh không tốt trong tiếng việt từ xanh đôi khi hơi mơ hồ, vừa mang nghĩa xanh lục vừa mang nghĩa xanh lam Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người, cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên những cảm giác màu sắc phong phú Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình, người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng có 3 vùng quang

phổ nhạy cảm của người.

CHUONG II Hf THONG DAM BAO ANH SANG TRONG NHA

Trong khoa học về ánh sáng, tôn tại một tập hợp liên tục của các màu ánh sáng mà có thể gọi là màu trắng Một tập hợp của các màu có thể xứng đángvới miêu tả này là các màu phát xạ trong quá trình gọi là “nóng sáng”, bởi vật đen tại nhiệt độ cao tương đối khác nhau Ví dụ, màu của vật đen 2848k phù hợp vơi những nguôn sáng phát ra bởi các thiết bị chiếu sáng trong nhà như đèn đây tóc Người ta nói rằng “nhiệt độ màu của những đèn như vậy là 2848K” ánh sáng

trắng sử đụng để chiếu sáng trong nhà hát có nhiệt độ màu khoảng 3200K ánh

sáng ban ngày có nhiệt độ màu danh nghĩa là 5400K(được gọi là màu trắng cân bằng nhiệt) nhưng nó có thể đao động từ đỏ tới hơi xanh(25000K) không phải mọi bức xạ của vật đen có thể cho là ánh sáng trắng, bức xạ nên của vũ trụ là một ví

dụ rõ ràng, chỉ có nhiệt độ vài Kelvin và nó là hoàn toàn không nhìn thấy

Màu sắc rất quan trọng trong việc thiết kế nhà, vì nó sẽ giúp con người có

cảm nhận khác nhau khi bước vào căn nhà có những màu sắc khác nhau, cụ thể

như: khi ngôi nhà được được sơn bằng sơn có màu trắng, ta sẽ cảm nhân thấy nhà

rộng và sạch Nếu nhà được sơn màu xanh, ta sẽ cảm nhận nhà mát và nếu như

sơn nhà có màu Ochre ta sẽ thấy nhà ấm cúng (nếu vào mùa đông, còn nếu vào

mùa hè thì cẩm thấy nhà nóng nực và oi bức) Sau đây sẽ là tên của một số màu

và 2 thông số pha trộn giữa ba màu chính :

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

Tên Mẫu Só Hex RGB CMYK" HSV

Hình 2: Chi tiết của một số màu

II Chỉ tiêu kỹ thuật ánh sáng trong phòng:

Anh sáng trong một ngôi nhà thường sử dụng 2 loại ánh sáng đó là ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo

1 Anh sáng tự nhiên:

Là loại ánh sáng mặt trời, ánh sáng này giúp ta nhìn những vật xung quanh một cách chính xác và chuẩn nhất Nó giúp con người cảm nhận ánh sáng, màu sắc một cách xác thực

Tuy nhiên ánh sáng mặt trời lại phụ thuộc vào quy luật tự nhiên đó là quy luật thời gian, thông thường ánh sáng mặt trời thường có vào khoảng 5h sáng và

hết vào khoảng 6h chiều, tuy nhiên thời gian ánh sáng sẽ có sê dịch do những quy

luật khách quan, chúng là một phạm trù rộng lớn nên em không đi sâu vào tim

hiểu.

CHƯƠNG II HE THONG BAM BAO ANH SANG TRONG NHA es

HSCSTN = Er.100/EN

Er: là độ sáng của một điểm nào đó trong nhà

Eu: là độ sáng ở ngoài nhà

2 Anh sáng nhân tao:

Là loại ánh sáng do con người tạo ra thông qua các thiết bị điện, chúng có khả năng chiếu sáng cao, nhưng không đạt hiệu quả bằng ánh sáng tự nhiên

Các loại thiết bị dùng để phát ra ánh sáng nhân tạo như: đèn huỳnh quang, đèn tròn, đèn sợi tóc, đèn Leon, đèn dẫu Tuy theo mỗi loại thiết bị mà mức độ chiếu sáng khác nhau

Anh sáng trong phòng khá phức tạp, vì độ sáng ở mỗi nơi một khác nhau, ban ngày ta sẽ sử dụng ánh sáng tự nhiên, nhưng nếu lượng ánh sáng tự nhiên cung cấp không đủ thì sẽ được cung cấp thêm ánh sáng nhân tạo Cụ thể như sau:

biến ánh sáng, ngoài ra chúng còn được mắc ở nơi phù hợp nhằm tránh tình trạng

chói mắt do bị các vật thể chói sáng

Ví dụ như: khi lắp đèn trong phòng khách, ta thường lắp đèn ở giữa phòng, hoặc đối diện với tivi, vì nếu gắn cùng phía với tivi, khi xem tivi sẽ bị ánh sáng chiếu vào mắt, có người sẽ cảm thấy chói ngay lập tức, nhưng cũng có một vài

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

người không cảm nhận được mà sau khi xem xong l chương trình nào đó, tự dựng

cảm thấy mọi vật tối xầm lại (do lượng ánh sáng chói vào mắt ít, xem lâu mới gây tác dụng mạnh )

Ở mỗi phòng đều được lắp đặt cửa sổ hoặc tôn trong suốt để cung cấp ánh

sáng tự nhiên vào buổi sáng Song song với ánh sáng tự nhiên thì hệ thống cảm

biến ánh sáng hoạt động 24/24 nhằm cung cấp trong nhà khi ánh sáng tự nhiên không đủ và chủ nhà có thể điều khiển ánh sáng tự nhiên 1 cách dễ dang thông qua remote Cho đến khi chủ nhà không cân sáng nữa thì có thể tắt bằng remote

Hiện nay có tất nhiều loại đèn chiếu sáng, nhưng loại được tiêu thụ mạnh nhất tại việt nam hiện nay đó là bóng đèn huỳnh quang của công ty: Rạng Đông Giá thành rẻ, điện tiêu thụ thấp, phát sáng tốt Do đó ta có thể sử dụng loại đèn này trong ngôi nhà ngê+ehừ thông minh

Tuy nhiên đây cũng là một vấn để rộng lớn và nó thiên về lĩnh vực kiến trúc

nhiều hơn, nên em chỉ xét tới lắp đặt cảm biến ánh sáng và bảo đảm lượng ánh sáng trong phòng cung cấp vừa đủ phù hợp với mắt người

=> Như vậy để đảm bảo ánh sáng trong nhà em dùng cả hai dạng chiếu sáng: tự nhiên và nhân tạo

> Bảo đảm độ sáng bằng dạng chiếu sáng tự nhiên :

e_ Chiếu sáng tự nhiên trong nhà là việc xem xét, tính toán diện tích của cửa

sổ , cửa trời so với diện tích sàn nhà để đạt được độ rọi theo yêu cầu Tương

ứng với HSTN theo tiêu chuẩn sau:

định theo các số tay chuyên ngành

e_ Ngoài ra cũng cần xem xét sự liên quan giữa việc chiếu sáng tự nhiên qua các cửa với ảnh hưởng của cửa đến khí hậu trong nhà Cửa sổ cao to sẽ có lợi cho việc chiếu sáng, nhưng vào mùa hè sẽ bị ảnh hưởng nhiễu từ nhiệt

độ bên ngoài bức xạ vào nhà

e_ Khi thiết kế chiếu sáng tự nhiên cần tuân theo các nguyên tắc sau:

+ Nên thiết kế cửa sổ cao , phần thấp nhất của cửa sổ (ngưỡng cửa)

không nên thấp hơn chiều caogủa mặt bàn nếu không sẽ bị chói Khoảng cách từ cửa sổ đến nơi cần chiếu sáng không nên lớn hơn hai lần chiều cao cử¿sổ

+ Phải có biện pháp chống chói do chiếu sáng trực tiếp hoặc bức xạ nhiệt với không gian trong phòng

CHUONG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

“=————ễễễễễễễễễễễễễễỄỄễễễ

+ Nên dùng màu tường và sàn nhạt để có phản xạ ánh sáng hiệu quả

Việc chiếu sáng tự nhiên đạt hiệu quả là một bài toán khó Vì thế ngoài việc chiếu sáng tự nhiên cần phải kết hợp với chiếu sáng nhân tạo mới có thể đảm bảo được chỉ tiêu ánh sáng trong nhà

> Bao đảm độ sáng bằng việc chiếu sáng nhân tạo :

e Anh sáng nhân tạo là cách chiếu sáng không thể thiếu trong cuộc sống,

nhờ vào nó con người có thể giải quyết được các hiện tượng thiếu ánh sáng Nhưng

do quá lạm dụng vào ánh sáng nhân tạo đả gây ra một hiện tượng rất đáng lo ngại

đó là: “ ô nhiễm ánh sáng” Hiện tượng này rất phổ biến ở các thành phố lớn như: NewYork, HôngKông

e _ Hạn chế sử dụng ánh sáng nhân tạo một cách tối đa sẽ tiết kiệm được năng lượng, giảm thiệt hại cho môi trường Cho nên nó cũng là chỉ tiêu mà một ngôi nhà hiện đại phải đáp ứng

e Để hạn chế được việc sử dụng ánh sáng nhân tạo ta phải kiểm soát được

độ sáng trong nhà , khai thác tối đa hiệu quả phát sáng của đèn

+ Kiểm soát độ sáng trong nhà:

| Dùng các loại cảm biến ánh sáng như: diod quang, traŠistor quang, quang

| trở, tế bào quang trở

| Dựa vào đại lượng ở ngõ ra của cảm biến mà ta đóng ngắt đèn hoặc tăng

| giảm điên áp vào đèn sao cho luôn đảm bảo độ sáng trong nhà

+ Khai thác tối đa hiệu quả phát sáng của đèn:

Dùng chụp đèn, máng đèn để tăng hiệu quả phát sáng

| Dùng nhiều đèn công suất nhỏ , bố trí ở nhiễu vi trí để đảm bảo độ sáng

phát tán đều trong nhà

Không nên dùng đèn có công suất lớn sẽ không đảm bảo được sự phát tấn ánh sáng đều trong nhà , gây chói mắt , mặt khác đèn có công suất lớn còn có giá thành mắc và không phù hợp với kiến trúc của một ngôi nhà ở

e_ Để đảm bảo độ sáng cho từng không gian, ta phải biết sơ qua cách tính toán

chiếu sáng Đối với chiếu sáng nhân tạo có 3 cách tính toán :

+ Phương pháp tính theo công suất đơn vi:

Làtính toán công suất cần thiết để chiếu sáng cho một đơn vị diện tích:

¿: hệ số chiếu sáng hữu ích của đèn , phụ thuộc vào loại đèn

+ : hiệu suất phát quang của đèn

Nếu trong phòng có n đèn thì công suất của một đèn là :

5 Wa P 3| P=#=Š““ an

——————————————————~

10

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

=——

$: diện tích phòng

II Phương án thiết kế:

1 Yêu cầu kỹ thuật cụ thể:

Hệ thống được thiết kế gọn nhẹ, giá cả phù hợp

Mạch được thiết kế tối ưu, có độ cảm biến ánh sáng chính xác, mạch có thể tự động điều chỉnh lượng ánh sáng phù hợp với người sử dụng

Ngoài ra, người sử dụng có thể điều chỉnh lượng ánh sáng theo ý muốn của ho

2 Sơ đồ chức năng của hệ thống:

Hình 4: sơ đỗ khối của một hệ thống đo ánh sáng tổng quát

Ta có thể chia quá trình đo ánh sáng ra làm ba khâu chính:

» Khối cẩm biến:

Khối cảm biến ánh sáng có chức năng nhận biết được sự thay đổi của ánh sáng, hiện nay trên thị trường có một loại linh kiện thông dụng nhất để cảm biến được ánh sáng, đó là quang trở

Chức năng của quang trở là khi ánh sáng thay đổi thì điện áp đặt trên quang

trở cũng thay đổi Để có thể xử lý và điều khiển thiết bị thông qua ánh sáng thay

đổi, ta cẩn chuyển điện áp được nhận biết từ quang trở sang một dạng mã nhị phân,

giúp cho bộ phận xử lý dễ dàng điều khiển thiết bị

+ Khối chuyển đổi:

Khi đã nhận biết được ánh sáng thông qua việc điện áp thay đổi, ta cần chuyển đổi từ điện áp sang dạng mã, thông thường ta chuyển sang dạng mã nhị

Linh kiện chuyển đổi hiện nay có rất nhiểu loại, cụ thể như: ADC0804, ADCO0809, DAC0808 Do ta đang cần chuyển đổi từ điện áp sang dạng mã nhị phân và không chỉ cảm biến ánh sáng ta còn cẩn cảm biến nhiệt độ, nên ta chọn ADC08009 Chức năng của linh kiện này sẽ giới thiệu chỉ tiết ở mục 3.4

% Khối xử lý điểu khiển:

Khối diéu khiển có chức năng nhận dữ liệu từ ngõ ra của khối chuyển đổi, khi đến những mức mà người thiết kế đã định trước sẽ xuất ra port để điều khiển thiết bị bên ngoài, cụ thể trong mạch này ta cần diéu khiển đèn tắt mở khi ánh sáng thay đổi

Hiện nay có khá nhiều thiết bị có chức năng điều khiển.như: 89C51, 8031,

8750 Em chọn 89C51 vì đây là linh kiện giá thành rẻ hơn các linh kiện khác, có

chức năng phù hợp với yêu cầu

3 Giới thiệu cảm biến ánh sáng:

|—————————mm————rn—————

11

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

Đối với mạch cảm biến ánh sáng, thiết bị cần có đầu tiên là cảm biến ánh sáng,

hiện nay trên thị trường có một loại thiết bị cảm biến ánh sáng được phổ biến thông

dụng là quang trở Sau đây em sẽ giới thiệu sơ lược về quang trở để ta có thể hiểu thêm và biết được ta cân nên lắp đặt thiết bị gì để diéu khiển thiết bị thông qua ánh sáng thay đổi

3.1 % bào quang dẫn:

Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang dựa trên hiện tượng quangdan do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng

Hình 5: Tế bào quang dẫn trên thực tế

Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất

hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp

+ da tinh thé: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe

+ đơn tỉnh thể: Ge, Si tỉnh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe

3.2 „ Các tính chất cơ bản của tế bào quang dẫn:

lên trở vùng tối R,„„ phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất

lý hoá của vật liệu

Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao (từ 10' tới 10Q ở 25 °C),

trong khi đó SbIn, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 102Q ở

25°C)

Khi được chiếu sáng, điện trở của tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh,

quan hệ giữa điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng:

R, =a.07 Trong đó a là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, 0,5< y< 1

ký hiệu của tế bào quang dẫn trên sơ đồ mạch:

o+W—o

Hình 6: ký hiệu của tế bào quang dẫn trên sơ đồ mạch

độ nhạy của tế bào quang dẫn: Nếu đặt lên 2 đâu tế bào quang dẫn một điện áp V,

thì sẽ có một dòng điện I chảy qua tế bào quang dẫn:

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với

nguồn sáng để dò vạch dẫn đường cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện

đầu băng trắng, điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng

=> Qua phần giới thiệu trên ta nhận thấy điện trở trong quang trở thay

đổi khi ánh sáng thay đổi, và khi điện trở thay đổi thì khi cấp nguồn sẽ làm

thay đổi điện áp trên quang trở

Vậy ta cần gắn thêm một thiết bị có thể nhận biết được điện áp trên

quang trở và biến đổi chúng thành hệ nhị phân, nói một cách cụ thể là linh

kiện có chức năng chuyển đổi từ dạng tương tự sang dang sé Hiện nay có khá nhiều linh kiện có chức năng như vậy, cụ thể gồm một số linh kiện như:

| ADC0809, ADC0804 hoặc chuyển đổi từ đạng số Digital sang tương tự như

DAC0808

e Loại ADC0809 có chức năng chuyển từ tương tự dựa vào điện áp sang

| dạng số, nó có thể chuyển đổi nhiều phần cảm biến cùng lúc

e ADC0804 có chức năng tương tự, nhưng chỉ chuyển đổi được 1 loại

| cảm biến trong lúc đó

s DAC0808 có chức năng chuyển đối từ dạng số sang tương tự

| Ta chọn loại ADC0809 vì nó có độ chính xác cao, giá thành lại vừa phải, và

| công việc của ta cần là chuyển 2 loại cảm biến từ tương tự sang đạng số Sau

đây em xin trình bày một số chức năng cơ bản của loại ADC này:

4 Thiết kế bộ chuyển đổi ADC:

4.1 Giới thiệu ADC 0809:

Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự

sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bô logic điểu khiển tương thích Bộ chuyển đổi AD 8 bit này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp Bộ chọn kênh có thể

truy xuất bất kểnh nào trong các ngõ vào tương tự một cách độc lập

Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm O bên ngoài và khả nang diéu chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

* Sơ đồ chân ADC 0809:

IN;ININ A BC ALE 21 27 2% 24 2* REF 2°

CHUONG II HE THONG BAM BAO ANH SANG TRONG NHA a

* Ý nghĩa các chân:

.INođếnIN; : 8ngõ vào tương tự

.A,B,C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào

.Z' dénZ* : ngõ ra song song 8 bit ALE : cho phép chốt địa chỉ START : xung bắt đâu chuyển đổi CLK :xung đồng hỗổ

REF (+): điện thế tham chiếu (+) REF (-) : điện thế tham chiếu (-) VCC_ : nguồn cung cấp

* Các đặc điểm củaADC 0809:

Độ phân giải 8 bit Tổng sai số chưa chỉnh định + 1⁄2 LSB; + 1 LSB Thời gian chuyển đổi: 100Is ở tần số 640 kHz

Nguồn cung cấp + 5V

Điện áp ngõ vào 0 _— 5V

Tân số xung clock 10kHz — 1280 kHz Nhiệt độ hoạt động - 40°C đến 85°C Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng

Không cân điều chỉnh zero hoặc đầy thang

* Nguyên lý hoạt động:

ADC 0809 có 8 ngõ vào tương tự, 8 ngõ ra 8 bit có thể chọn 1 trong 8 ngõ vào

tương tự để chuyển đổi sang số 8 bit

Các ngõ vào được chọn bằng cách giải mã Chọn 1 trong 8 ngõ vào tương tự được thực hiện nhờ 3 chan ADD, , ADDg , ADDc nhu bang trang thai sau:

Ngõ vào được chọn INO

INI IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

xung start, ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xung clock (tính từ cạnh xuống của xung start) Lúc này bit cơ trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại ở mức 0, đông thời tạo ra điện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được so sánh với điện thế vào in

+ Néu Vin > Vref/2 thi bit MSB vẫn ở mức 1

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ es

+ Néu Vin < Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 0

Tương tự như vậy bit kế tiếp MSB được đặt lên 1 và tạo ra điện thế có giá trị Vref/4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho

đến khi xác định được bit cuối cùng Khi đó chân EOC lên mức 1 báo cho biết đã kết thúc chuyển đổi

Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1, muốn đọc dữ liệu ra chân OE xuống mức 0

Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngưng chuyển đổi

Mã ra N cho một ngõ vào tùy ý là một số nguyên

= 256.0 — Vig)

Fe) Vee

Trong đó Vin: điện áp ngõ vào hệ so sánh

Vref(+): điện áp tại chân REF(+)

Vref(-): dién 4p tai chan REF(-)

Néu chon Vref(-) = 0 thi N = 256 Vn

Vậy với 256 bước Vin = 5V

Ấp vào lớn nhất của ADC 0809 là 5V

e Biểu đồ thời gian của ADC 0809.

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

Hình 8: Biểu đồ thời gian của ADC 0809

4.2, Mach tao xung clock cho ADC 0809:

| Sử dụng mạch dao động đùng các cổng not để tạo dao động cho ADC như sau:

V6i R ti 100Q dén vai kQ chon R =1 kQ => C = 500 PF

=> sau khi chuyển đổi từ đạng tương tự sang dạng số, ta cần phải xử lí tín hiệu

số đó để điều khiển các thiết bị trong nhà, hiện nay có rất nhiều IC có chức

năng xử lí và điều khiển như: 8051, 8750, DS5000 và 8031 tuy nhiên ở đây em

sử dụng loại 89C51 vì đây là loại IC có thể xử lí và điều khiển được nhiều thiết

bị, chương trình lập trình quen thuộc, dễ sử dụng, giá thành lại rẻ Chỉ vào khoảng từ 12 -> 15 ngàn cho 1 IC Sau đây là một vài tính năng cơ bản của IC 89C51:

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

* Giao tiếp nối tiếp

* 64 K không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

* 64 K không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

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

* 210 bit được điạ chỉ hoá

* Bộ nhân chia 4 ps

INTO"

INTỪ

Timer Timer

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

=

5.2 Sơ lược về các nhân của 8051:

8051/8031 có tất cả 40 chân, có chức năng như các đường xuất nhập Trong

đó có 24 chân có công dụng kép, mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập

hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của bus dữ liệu và bus địa chỉ

+5

b Port 1:

Port 1 là mốt port ƯO trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P.1,

P1.2 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần Port 1 không có các chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài

c Port 2:

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

Port 2 là một Port công dụng kép trên các chân 21-28, được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các bus thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng

đ Port 3:

Port 3 là một Port công dụng kép trên các chân 10-17 Các chân của port này có

nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của

8051/8031 như ở bảng sau

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

Hình 11: đặc tính chân của một số port

e PSEN (Program Store Enable):

8051/8031 có 4 tín hiệu điều khiển

PSEN là tín hiệu ra trên chân 29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ

nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc byte mã lệnh

PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh Các mã nhị phân của chương

trình được đọc từ EPROM qua bus đữ liệu và được chốt trong thanh ghi lệnh của

8051 để giải mã lệnh Khi thi hành chương trình trong ROM nội (8051) PSEN sẽ ở

mức thụ động (mức cao)

f ALE (Address Latch Enable):

Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các vi

xử lý 8085, 8088, 8086 8051 dùng ALE một cách tương tự cho việc giai kênh các

bus địa chỉ và dữ liệu Khi Port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó:vừa là bus đữ liệu vừa là byte thấp của bus địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu chu kỳ bộ nhớ Sau đó, các đường Port 0

dùng để xuất hoặc nhập đữ liệu trong nữa sau của chu kỳ bộ nhớ

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và

có thể được dùng làm nguồn xung nhịp cho các phần khác của hệ thống Nếu xung nhịp trên 8051 là 12 MHz thì ALE có tân số là 2 MHz Chỉ ngoại trừ khi thi hành

19

CHUONG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

=ễễễễễễ

lệnh MOVX, một xung ALE bị mất Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051

g EA (External Access):

Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc

mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội trong

khoảng địa chỉ thấp (4K) nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành trong bộ nhớ mở rộng Khi dùng 8031, EA luông được nối mức thấp vì không có bộ nhớ chương trình trên chip Nếu EA được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình

8051 sẽ bị cấm và chương trình thi hành từ EPROM mở rộng người ta còn dùng EA làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong 8051

h RST (Reset):

ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trongit nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghỉ bên trong 8051 được tải những giá trị

thích hợp để khởi động hệ thống

i Các ngõ vào bộ dao động trên chip:

Như ta đã thấy trong các hình trên, 8051 có một bộ dao động trên chip Nó thường nối với một thạch anh giữa hai chân 18 và 19 Các tụ giữa cũng cần thiết

như hình vẽ Tần số thạch anh thông thường là 12 MHz

j Các chân nguồn:

8051 vận hành với nguồn đơn +5V Vu được nối vào chân 40 và V,; (GND)

được nối vào chân 20

=> sau khi tim hiểu và đưa ra linh kiện phù hợp để thiết kế cho mạch cảm biến ánh sáng, ta có được chọn lựa như sau: để cảm biến ánh sáng ta dùng quang trở, sau đó

để có thể điểu khiển được thiết bị thông qua ánh sáng ta cần chuyển đổi điện áp

của quang trở từ dạng tương tự sang dạng số, sau đó đưa vào vi điều khiển 89C51

để điều khiển thiết bị Sau đây là sơ đỗ nguyên lý tạm thời được thiết kế dựa trên những chọn lựa trên:

20

CHUONG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

P04/ADM P24/A12 PO.S/ADS P2.SiAt3

P06/AD P28/A14 P0.7/ADT P2TIA15

P10 P3.0/RXD P14 P3.1/TXD P12 P32INTO

P13 P33/NT1 PI4 P34/T10 PLS P3511, P18 P3.6MR

PLT P37RD XIAL PSEN XIAL2

RST ALE/PROG EANPP

Hình 12: sơ đổ chức năng của mạch cảm biến ánh sáng

$ Nguyên tắc hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng:

Linh kiện quang trở có chức năng thay đổi điện trở khi ánh sáng thay đổi,

để cho IC ADC0809 có thể nhận biết được ta lắp thêm một mạch cấp nguồn cho quang trở, mạch cấp nguồn có chức năng tạo ra một nguồn điện áp ổn định, cho

quang trở, khi ánh sáng thay đổi nguồn áp trên chân quang trở cũng thay đổi, ADCO0809 sẽ nhận biết được và chuyển về dạng nhị phân, đưa sang 89C51 89C51

có chức năng điều khiển cho 0809 hoạt động thông qua việc tác động vào 2 chân

START va ALE trên ADC0809, trong đó ALE có chức năng chốt địa chỉ và START có chức năng bắt đầu chuyển đổi Sau đó 89C51 nhận đữ liệu từ ADCO809

rồi đưa về xử lý, tuỳ theo mức điện áp trên quang trở mà điểu khiển đèn trên port 3

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

trợ cho công việc này Để điều khiển các thiết bị trong nhà, ta có thể dùng

Remote Tivi, tuy nhiên khi phát thì Remote này rất tốt, nhưng bên phần thu

sẽ khó khăn, vì trên Remote thường có mã riêng, nên em chọn giải pháp là tự lắp đặt một bộ Remote thu phát Có một số bộ thu phát như: SC2248, SC2249, SC2250 hoặc SC9148, SC9149, SC9150 Do trên thị trường chỉ có bán loại SC9148 và SC9149, và chức năng của nó cũng tương tự như IC: SC2248, SC2249 nên em quyết định chọn sử dụng cặp IC này Sau đây em sẽ giới thiệu

sơ lược cặp IC này để ta có thể đi vào thiết kế sơ đồ nguyên lý của mạch:

V Giới thiệu sơ lược về họ IC SC9148 và SC9149:

SC9148 và SC9149 là những IC thu phát trong hệ thống điểu khiến từ xa

bằng tia hồng ngoại Trong đó SC9148 là mạch điện IC phát xạ điều khiển có mã hoá kiểu ma trận Nó và mạch SC9149 phối hợp vơi nhau có thể hoàn thành bộ

điều khiển từ xa có 10 chức năng; phối hợp với mạch điện IC SC9150 có thể hoàn thành bộ điều khiển 18 chức năng, có hơn 75 lện có thể phát xa, trong đó 63 lệnh là

lệnh liên tục, có thể có nhiễu tổ hợp phím; 12 lệnh không liên tục, chỉ có thể sử dụng phím đơn Tổ hợp như vậy có thể dùng cho nhiều loại điểu khiển xa cho các

thiết bị điện

1 Mạch phát SC9148:

Mạch điện IC9148 sử dụng công nghệ CMOS qui mô lớn để chế tạo, là một

loại linh kiện phát xa mã hoá tỉa hồng ngoại rất thông dụng, phạm vi điện áp nguồn

điện là 2/2V ~ 5,5V vì sử dụng công nghệ CMOS để chế tạo nên công suất tiêu hao cực thấp, dòng điện trạng thái nh chỉ 10OuA, nó có thể sử dụng nhiều tổ hợp

phím, mã số của nó thích hợp với nhiều qui mô khác, chỉ cần nối ngoài linh kiện

LC hoặc bộ dao động gốm là có thể gây ra đao động

1.1 Sơ đồ chân của SC9148:

22

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐẢM BẢO ÁNH SÁNG TRONG NHÀ

Chức năng của các chân:

IC SC9148 sử dụng 16 chân vỏ nhựa kiểu cắm thẳng hàng

Chân 1: GND là đầu âm của dòng điện nối đất

Chân 2: XT là đầu vào của bộ phận dao động bên trong

Chân 3: XTN là đâu ra của bộ phận dao động bên trong Bên trong nó không có điện trở phản hồi

Chân 4 đến chân 9 là đoạn đầu vào tín hiệu của bàn phím kiểu ma trận

Chân 10 đến chân 12: kết hợp với các chân từ k1 đến k6 có thể tạo thành 16 phím Chân 13: (code) là đầu vào của mạ số, dùng mã số để truyễn tải và tiếp nhận Chân 14: (TCST) là đầu đo thử, bình thương khi sử dụng có thể bỏ trống

Chân 15: là đầu ra tín hiệu truyền tải tín hiệu 12bit thành một chu kỳ, sử dụng sóng

mang 38Khz để điều chế

Chân 16: là đầu dương của nguồn điện nối với điện áp một chiều 2,2 ~ 5,5V, điện

áp làm việc bình thường 3V

Nguyên lý hoạt đông:

Trong IC9148 có chứa bộ đảo pha CMOS là điện trở định thiên cùng nối bộ dao động bằng thạch anh hoặc mạch điện dao động cộng hưởng Khi tần số của bộ phận đao động thiết kế xác định là 455Khz, thì tần số phát xạ sóng mang là 38Khz Chỉ khi có thao tác nhấn phím mới có thể tạo ra dao động, vì thế đảm bảo công suấ của nó tiêu hao thấp Nó có thể thông qua các chân k1 đến k6 và đầu ra thứ tự thời gian chân T1 đến T3 để tạo ra bàn phím 6x3 theo kiểu ma trận Tại T1 sáu phím được sắp xếp có thể tuỳ chọn để tạo thành 63 trạng thái tín hiệu liên tục đưa ra được trình bày như sau: