đề tài thiết kế hệ thống tự động bật đèn cảnh báo khi có âm thanh

Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động, trong dải tần số từ khoảng 16 Hz đến khoảng 20 000 Hz, của các phân tử không khí, và lan truyền trong không khí, va đập vào

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Giáo viên hướng dẫn : Ts Ngô Đình Thanh

Sinh viên thực hiện :Hoàng Trọng Khiêm- 18TDH2

Nguyễn Duy Khánh – 18TDH2 Trần Ngọc Nhân- 18TDH2 Trần Thanh Tuyên

Đà Nẵng, 4/06

-Mục lục

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 2

1.1 Xây dựng mục tiêu và sơ đồ khối của hệ thống dùng vi điều khiển 2

1.1.1 Mục tiêu của đề tài 2

1.1.2 Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống 2

2

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 3

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 3

2.1 Giới thiệu về các linh kiện chính trong hệ thống 3

2.1.1 Vi điều khiển PIC18F4520 3

2.1.2 Cảm biến âm thanh KY 037 7

2.1.3 Led 7 đoạn 8

2.1.4 Led cảnh báo 8

2.1.5 Điện trở: 9

2.1.6 Transistor: 9

2.1.7 Tụ điện : 10

2.1.8 Thạch anh 10

2.2 Tính toán linh kiện trong hệ thống 11

2.2.1 Tính điện trở: 11

2.2.2.Tính chọn transistor 12

2.2.4 Tính chọn tụ điện 12

2.2.6 Mạch nguồn 12

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 13

3.1 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÍ 13

3.1.1 Nguồn nguồn nuôi 13

3.1.2 Khối xử lý 13

3.1.3 Khối cảm biến 14

3.1.4 Khối chấp hành 15

3.1.5 Khối hiển thị 15

3.1.6 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống 16

3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH 17

3.3 CHẠY MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH BẰNG PHẦN MỀM ỨNG DỤNG PROTEUS 18

CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MẠCH THỰC TẾ

4.1 Thiết kế mạch

in……… 19 4.2 Lắp đặt thiết bị và hoàn thiện

mạch………20

4.3 Chạy mạch và đánhgiá kết

quả……… 21

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ ĐỐI TƯỢNG ÂM THANH

1.1. Bản chất của âm thanh:

Âm thanh là các dao động cơ học (biến đổi vị trí qua lại) của các phân

tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động, trong dải tần số từ khoảng 16 Hz đến khoảng 20 000 Hz, của các phân

tử không khí, và lan truyền trong không khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ não Tuy nhiên âm thanh có thể được định nghĩa rộng hơn, tuỳ vào ứng dụng, bao gồm các tần số cao hơn hay thấp hơn tần số

mà tai người có thể nghe thấy, không chỉ lan truyền trong không khí mà còn truyền trong bất cứ vật liệu nào

1.2 Ảnh hưởng của âm thanh đến sức khỏe con người:

- Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động, trong dải tần số từ khoảng 16 Hz đến khoảng 20 000 Hz

- Một số âm thanh trong cuộc sống thường gặp:

+ 10 dB - thì thầm;

+ 20 âm30 dB - nền tiếng ồn tự nhiên trong phòng;

+ 50 dB - nói chuyện với giọng điệu bình tĩnh;

+ 70 dB - mức độ tiếng ồn trên đường phố bận rộn.

+ 80 dB - vận hành động cơ xe tải;

+ 90 dB - tiếng ồn của tàu trong tàu điện ngầm;

+ Trung bình 110 dB - âm thanh của thiết bị tại các buổi hòa nhạc và

vũ trường.

- Ảnh hưởng của cường độ âm thanh đến sức khỏe con người:

+ Mức độ tiếng ồn lớn nguy hiểm bắt đầu từ 70 dB.

+ Âm thanh có cường độ hơn 130 dB gây ra đau đớn về thể xác

+ Âm thanh có cường độ 150 dB trở lên có thể gây tử vong cho một ngườ

1.3 Do độ ồn của âm thanh

Độ ồn của âm thanh được đo bằng mức cường độ âm(L)

Giá trị của mức cường độ âm:

L=10log(I/ I0)

 I: lượng năng lượng được sóng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm( W/m2)

 I0=10-12 W/m2

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

2.1 Xây dựng mục tiêu và sơ đồ khối của hệ thống dùng vi điều khiển

2.1.1 Mục tiêu của đề tài

-Hiểu rõ nguyên lí hoạt động cấu tạo của vi điều khiển PIC18F4520

-Thông thạo và ứng dựng được hợp ngữ trong lập trình điều khiển vi điều khiển

PIC18F4520

-Hoàn thiện đề tài :Thiết kế hệ thống cảnh báo âm thanh theo 3 mức , tương ứng với 3 Led màu Xanh, Vàng, Đỏ Số lần cảnh báo được hiển thị trên led 7 đoạn

2.1.2 Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống

Hình 1 sơ đồ khối của hệ thống

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Cảm biến âm thanh KY 037 chuyển đổi trực tiếp âm thnh từ môi trường ra điện áp ,ta đưa vào vi diều khiển PIC18f4520 Trong vi điều khiển tích hợp sẵn bộ chuyển đổi tương tự số ADC quy đổi tín hiệu điện áp về dạng nhị phân Qua quá trình xử lí xuất thông tin yêu cầu ra led 7 đoạn và cảnh báo ra led màu ( xanh vàng đỏ )

3.1 Giới thiệu về các linh kiện chính trong hệ thống

3.1.1 Vi điều khiển PIC18F4520

Hình 2.1 Vi điều khiển PIC18F4520

PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology

PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khảtrình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sảnphẩm đầu tiên của họ là PIC1650

Vi điều khiển PIC18F4520 có các đặc điểm cơ bản:

 Sử dụng công nghệ nanoWatt: Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít

 Kiến trúc RISC

- 75 lệnh mạnh, hầu hết các lệnh thực hiện trong bốn chu kì xung

- Tốc độ thực hiện lên tới 10 triệu lệnh trong 1s với tần số 40Mhz

- Có bộ nhân cứng

+ Những ngoại vi tiêu biểu

- 4 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với các chế độ tỉ lệ đặt trước và chế độ sosánh

- Bộ đếm thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt

- 2 kênh PWM

- 13 kênh ADC 10 bit

- Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình

- Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt

- Bộ so sánh tương tự

+ Các đặc điểm đặc biệt khác

- Power on Reset và Brown Out Reset

- Bộ tạo dao động nội RC

- Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài

+ I/O và các kiểu đóng gói

- Đóng gói 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, và 44-pad MLF

Hình 2.2 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520

PIC18F4520 đi kèm với năm cổng (Port) trong đó mỗi cổng chứa 8 chân trừ cổng

E đi kèm với 4 chân chức năng

Thiết bị này có thể được cấu hình bằng 10 chế độ dao động khác nhau trong đócác giá trị tụ khác nhau được yêu cầu để tạo ra nguồn giao động để VXL làmviệc

Sơ đồ chân Input/Output

Hình 2.3 Sơ đồ chân vi xử lý PIC18F4520

Những đặc tính ngoại vi

• TIMER

o Timer0 : 8-bit định thời/đếm với 8-bit prescaler

o Timer1: 16- bit định thời/đếm với prescaler, có thể được tăng lên trong suốt chế độ Sleep qua thạch anh/xung clock bên ngoài

o Timer2: 8-bit định thời/đếm với 8-bit prescaler và postscaler

• Hai module Capture,Compare, PWM

o Capture có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12,5ns

o Compare có độ rộng 16 bit, độ phân giải 200ns

o Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10 bit

• Có 13 ngõ I/O có thể điều khiển trực tiếp

o Dòng vào và dòng ra lớn

▪ 25mA dòng vào cho mỗi chân

▪ 20mA dòng ra cho mỗi chân

• 13 kênh của bộ chuyển đổi tương tự sang số(A/D) 10-bit

3.1.2 Cảm biến âm thanh KY 037

Cảm biến âm thanh KY-037 được thiết kế gồm 1 micro, 1 bộ so sánh và 2 ngõ ra: A0: Ngõ ra tương tự, tín hiệu điện áp ngõ ra của micro D0: khi cường độ âm thanh đạt đến một ngưỡng nhất định, đầu ra tín hiệu cao/ thấp Ngưỡng có thể điều khiển qua biến trởtrên mạch cảm biến.

Hình 2.4 cảm biến âm thanh ky 037Thông số kĩ thuật:

 Mạch sử dụng điện áp 3-15VDC

 Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng chiết áp trên mạch

 Ngõ ra tương tự, tín hiệu điện áp ngõ ra của Micro

 Ngõ ra số khi cường độ âm thanh đạt đến một ngưỡng nhất định, đầu ra tín hiệu cao/ thấp Ngưỡng

có thể điều khiển qua biến trở trên mạch cảm biến Độ nhạy cao LED báo nguồn

 Lỗ bắt ốc 3mm

3.1.3 Led 7 đoạn

Hình 2.5 Hình thực tế và sơ đồ chân led 7 đoạnLED 7 đoạn có 2 loại:

● Chung cực dương: Mỗi đèn LED có 2 chân (1 dương 1 âm) Ở loại LED 7 đoạnnày tất cả cực dương (Anode) sẽ được nối chung Để làm các đèn LED trongLED 7 đoạn sáng cần cấp cực âm vào các chân của đèn Với loại LED 7 đoạnnày chỉ cần 1 điện trở là để giới hạn dòng vào chân chung

Chung cực âm: Tương tự nhưng ngược lại và cần 8 điện trở cho các chân dươngcủa LED

Thông số hoạt động cua led 7 đoạn:

-Điện áp rơi trên LED là 2.2V

-Dòng tối đa chạy qua mỗi LED là 25mA

-Dòng chạy bình thường: 10mA

3.1.4 Led cảnh báo

Ở đây để hiển thị cảnh báo cho người dùng ta sủ dụng led đơn 5mm

Hình 2.6 Led đơn Led đơn hay còn gọi là diode phát quát quang với các thông số :

Hình 2.7 Thông số của led đơn

Transistor hay tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử

dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử

Cũng giống như điốt, transistor được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khighép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được một PNP

Transistor Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm tađược một NPN Transistor.

Hình 2.9 Hình thực tế và ký hiệu transistor

3.1.7 Tụ điện :

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rộngrãi trong các mạch điện tử,chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoaychiều, mạch tạo dao động

Hình 2.10 Hình thực tế tụ điện

3.1.8 Thạch anh

3.1.8.1Chức năng

Tạo ra khối dao động, để cấp xung nhịp cho vi điều khiển

Thạch anh ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ nên tần số dao động được tạo ra thưởng rấtchính xác và ổn định vì vậy thông thường người ta hay sử dụng mạch tạo dao độngthạch anh thay vì dùng mạch tạo dao động RC

3.1.8.2Tần số

Tần số dao động được ghi trên lưng của thạch anh, các tần số dao động thạchanh thường được sử dụng: 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8MHz, 16 MHz, 20 MHz,…

Hình 2.11 Thạch anh 3 chân Hình 2.12 Thạch anh 2chân

2.2 Tính toán linh kiện trong hệ thống

2.2.1 Tính điện trở:

Điện trở qua led 7 đoạn đôi

Dòng cho mỗi led trong modul led 7 đoạn là 10mA

Dòng cho mỗi led 7 đoạn là

10x8=80mA=Ic1=Ic2

Ib1=Ib2= =1.3mA

RC= 52Ω Chọn R2=R3=50Ω

RB= =3307Ω Chọn R1=R4=3300Ω

Chọn điện trở kéo lên cho nút nhấn bằng 10000Ω

- Trở của led cảnh báo

+ Dòng điện để led báo có độ sáng phù hợp cho mắt người là khoảng 20mA

hFE=160

4.1.2 Khối xử lý

Vi xử lý muốn hoạt động được cần có một nguồn tạo dao động Mặc định VXL PIC18F4520 sử dụng bộ tạo dao động nội, ngoài ra có thể sử dụng nguồn tạo dao động ngoại bằng cách đưa vào các chân OSC1/RA7 và OSC2/RA6

Chọn mạch dao động thạch anh: Lựa chọn thạch anh 20MHz được mắc như hình vẽ dưới với 2 tụ C1 và C2 có giá trị lần lượt là C1 = C2 = 15pF

Thông số lựa chọn linh kiện cho mạch dao động được cung cấp bởi nhà sản xuất:

Hình 3.2 Thông số linh kiện

Hình 3.3 sơ đồ mạch tao động của pic

Hình 3.5 Led cảnh báo

4.1.5 Khối hiển thị

Phương pháp quét LED:

- Mắt người sẽ không phân biệt được sự nhấp nháy của một hình ảnh nếu tần suất nhấp nháy đó cỡ vào khoảng 24 hình/giây (thời gian hiển thị 1 ảnh là : )

-Hiển thị dữ liệu sử dụng phương pháp quét LED là phương pháp mà tại mỗi thời điểm

dữ liệu được truyền đến các LED nhưng chỉ có một LED được sáng, các LED còn lại

sẽ tắt và lần lượt bật LED kế tiếp

- Để hình ảnh không bị nhấp nháy và bị mờ ta cần tính toán khoảng thời gian bật/tắtcho một LED: khi sử dụng 2 LED 7 đoạn , chọn tần suất hiển thị là 30 hình/giây

thì thời gian để hiển thị 1 số có 2 chữ số là: Vậy thời gian sáng và tắt của mỗi LED là =16ms

Hình 3.6 Sơ đồ khối hiển thị

4.1.6 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống

Hình 3.7 sơ đồ hệ thống

4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH

4.3 CHẠY MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH BẰNG PHẦN MỀM ỨNG DỤNG PROTEUS

Hình 3.12 mô phỏng mạch trên proteous

5.1 Thiết kế mạch in

Hình 4.1a Mạch nguyên lí

Hình 4.1b Mạch pcb

5.2 Lắp đặt thiết bị và hoàn thiện mạch

Hình 4.2 Hoàn thiện mạch

5.3 CHẠY VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

- Mô phỏng đúng yêu cầu đề tài

#define L1 PIN_D0

#define L2 PIN_D1

unsigned int16 value;

unsigned char chuc, donvi, dem, lando, ketqua;

const unsigned char number[10]={0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80,0x90};

}

if (ketqua>250 &&ketqua<500) {

output_high(PIN_D6); output_low(PIN_D7;

output_low(PIN_D5);

}

if (ketqua>500)

{

output_high(PIN_D7); output_low(PIN_D6); output_low(PIN_D5); dem=dem+1;

}

}