TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH ĐỒ ÁN MƠN HỌC MƠN HỌC HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm sinh viên : Nguyễn Thị Hòa Nguyễn Văn Hợp Tống Quang Long Lớp : K43DDK Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Huy Thái Nguyên – 2017 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Nhận xét giáo viên hướng dẫn Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2017 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét giáo viên chấm Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2017 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC 3.1 Thiết kế phần cứng 31 3.2 Thiết kế phần mềm .31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 Bộ môn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng cho hệ thống nhúng ngày trở nên phổ biến: từ ứng dụng đơn giản điều khiển chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động điện chiều, thiết kế biển quảng cáo dùng Led ma trận, đồng hồ thời gian thực….đến ứng dụng phức tạp hệ thống điều khiển robot, kiểm soát nhà máy hệ thống kiểm soát máy lượng hạt nhân Các hệ thống tự động trước sử dụng nhiều công nghệ khác hệ thống tự động hoạt động nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle điện, mạch điện tử số, thiết bị máy móc tự động cam chốt khí thiết bị, hệ thống có chức xử lý mức độ tự động thấp so với hệ thống tự động đại xây dựng tảng hệ thống nhúng Với mong muốn giới thiệu ứng dụng hệ thống nhúng đời sống đại, nhóm chúng em đưa mơ hình thiết kế hệ thống điều khiển đèn thông minh dùng cho phòng họp Trong q trình thực đồ án mơn học, nhóm chúng em cố gắng thiết kế cho mơ hình đơn giản nhất, ổn định nhất; nhiên vấn đề thời gian kinh nghiệm nên mơ hình gặp phải vấn đề chưa thể khắc phục Trân trọng chân thành cảm ơn! Nhóm thực đề tài: Nguyễn Thị Hòa Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Nguyễn Văn Hợp Tống Quang Long CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TỐN 1.1 Khảo sát phân tích tốn Hiện hầu hết việc giám sát điều khiển chiếu sáng phòng cơng cộng điều khiển tay thơng qua đóng mở công tắc, aptomat, cầu dao Điều thuận lợi đơn giản ta bật tắt đèn theo nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, phòng cơng cộng nên việc bật tắt đèn người trực khu nhà làm Vì họ khơng biết xác có người tới người hết khỏi phòng họ biết phải quản lý nhiều phòng nên họ để điện đến hết ca trực, điều gây lãng phí điện lớn, đặc biệt hoàn cảnh nước ta thiếu điện cách trầm trọng Trên thị trường có số thiết bị bật tắt đèn thông minh, SmartLight Hàn Quốc sản xuất: Được tích hợp sensor cảm ứng hồng ngoại thân nhiệt, đèn tự động bật có người vào vùng cảm ứng tắt khơng có người Hình 1.1: Đèn thơng minh Smartlight Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí SmartLight phù hợp với nhu cầu chiếu sáng thông minh bạn sân cổng, phòng khách, phòng ngủ, phòng vệ sinh, cầu thang, văn phòng giúp bạn bật tắt đèn hoàn toàn tự động, mang lại an toàn, tiện nghi tiết kiệm điện Tuy nhiên thiết bị tích hợp ln điều khiển với đèn sản phẩm Do giá thành cao khơng thích hợp cho phòng cần lượng chiếu sáng lớn, khơng thay đổi loại bóng đèn theo yêu cầu Hệ thống giám sát điều khiển chiếu sáng sử dụng camera kết nối với máy tính để kiểm sốt số người phòng, qua phát lệnh đóng mở cơng tắc tơ bật tắt bóng đèn Hình 1.2: Hệ thống camera giám sát Hệ thống giúp việc bật tắt đèn nơi lắp đặt cách xác, tự động bán tự động Tuy nhiên sử dụng máy tính nên giá thành hệ thống cao, mặt khác không giải vấn đề tiết kiệm điện Vì thường Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí sử dụng tòa nhà cơng nghệ cao, khu vực cần điều chỉnh chiếu sáng khơng phải mục đích tiết kiệm điện Hệ thống bật tắt đèn tự động sử dụng IC số mạch Logic cho phép ta dựa vào lượng người vào để đóng ngắt cơng tắc cách tự động Hình 1.3: Hệ thống bật tắt đèn thơng minh dùng IC số Hệ thống có cấu tạo đơn giản, rẻ, khơng phải lập trình mà dựa vào mạch Logic… tính linh động khơng cao, khó chỉnh định điều kiện làm việc thay đổi, có khả nâng cấp mở rộng hệ thống Với phòng họp cơng cộng, mà lưu lượng người khơng lớn kiểm sốt việc đếm người qua cửa ta hồn tồn áp dụng hệ thống đèn thông minh sử dụng Vi điều khiển lập trình để bật đèn có người tắt khơng có người Điều vừa tiện lợi cho người: ứng dụng công nghệ tự động hóa vào sống người, đảm bảo đủ ánh sáng trình làm việc, người quản lý đỡ tốn thời gian… đồng thời góp phần giải vấn đề tiết kiệm điện thời kỳ mà nhu cầu điện tiêu thụ vượt khả cung cấp nhà máy điện Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 1.2 Lựa chọn giải pháp 1.2.1 Giải pháp cơng nghệ Qua phân tích trên, nhóm chúng em đưa giải pháp xây dựng hệ thống điều khiển đèn thơng minh cho phòng họp: điều khiển bật tắt đèn qua việc kiểm soát lượng người vào phòng Thu nhận tín hiệu xử lý tín hiệu, có người vào phòng, đèn bật bật, đèn chưa bật bật đèn lên; người hết khỏi phòng tắt đèn Trong q trình làm việc hệ thống ln hiển thị số người phòng để tiện cho việc kiểm tra, theo dõi 1.2.2 Giải pháp thiết kế • Để phát người ta dùng thu phát hồng ngoại mắc gần đặt cửa vào • Xử lý, điều khiển dùng vi điều khiển Pic: lập trình để Pic nhận tín hiệu vào từ Led hồng ngoại, tính tốn xử lý để đưa lệnh bật tắt đèn • Để hiển thị ta dùng Led thanh: lấy tín hiệu từ Pic để thơng báo xem phòng có người • Điều khiển tắt/mở bóng đèn nhờ transistor cấp dòng cho rơ le 1.2.3 Các yêu cầu • Hệ thống điều khiển đèn thơng minh áp dụng cho phòng họp:  Số lượng người phòng tối đa khơng q 99 người  Phòng có cửa vào  Ở thời điểm có người qua cửa  Cửa cao 2.5m, rộng 2m • Có người vào bật đèn hết tắt đèn • Hệ thống có chế độ làm việc tự động tay • Làm việc với điện áp 220V/50Hz • Sensor cơng nghệ tùy chọn • Có khả nâng cấp, cải tiến 1.2.4 Giới hạn hạn định Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí • Làm việc ban ngày lẫn ban đêm • Thu nhận tín hiệu liên tục có người vào • Nhiệt độ mơi trường: nhà 100C đến 400C • Hệ thống cấp điện từ đầu CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ tổng quát Hệ thống điều khiển đèn thông minh gồm có khối Khối nguồn Khối cảm biến Khối xử lý Khối chấp hành Khối hiển thị Hình 2.1: 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 phòng, đưa tín hiệu thu vào chân Pic để xử lý Để nhận biết người vào hay ta dùng thu phát hồng ngoại mắc gần Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí • Khối Xử lý: Dùng VDK Pic 16F877A để lấy tín hiệu từ cảm biến, tính tốn, lưu trữ đưa khối hiển thị khối chấp hành • Khối Hiển thị: Lấy tín hiệu từ chân Pic để hiển thị số lượng người phòng Led thanh.Khối Chấp hành: Nhận tín hiệu từ khối xử lý để thực đóng cắt tiếp điểm mạch động lực 2.2 Sơ đồ Callgraph Chương trình điều khiển Module Xử lý Cảm biến Cảm biến Module Xử lý Chương trình Chấp hành Hiển thị Hình 2.2: Sơ đồ Callgraph hệ thống bật tắt đèn thông minh 2.3 Sơ đồ đặc tả Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Hiển thị Số người Bật đèn Có người Người Phân lượng người phòng Khơng người Tắt đèn Người vào Hình 2.3: Sơ đồ đặc tả hệ thống bật tắt đèn thông minh 2.4 Các module hệ thống 2.4.1 Module khối nguồn Module tạo điện áp chiều từ nguồn xoay chiều 220V để cung cấp cho linh kiện 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 chiều, dùng IC 7805 ổn áp để lấy điện áp ổn định 5V ngõ 12V - + C C B ie n a p IN 7805 O U T G N D U V c c -5 V C C 2 220V~ D io t c a u L1 J2 Hình 2.4.: Module nguồn cấp 2.4.2 Module cảm biến Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 10 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí hiệu ngõ tác động mức 0, dùng đẻ điều khiển gián tiếp tải Khi ngăn ánh sáng chiếu vào ngược lại khơng hoạt động dẫn dòng 2.5.3 Led đoạn a Các khái niệm Trong thiết bị, để báo trạng thái hoạt động thiết bị cho người sử dụng với thơng số dãy số đơn thuần, thường người ta sử dụng “ Led đoạn ” Led đoạn sử dụng thơng số khơng đòi hỏi phức tạp, cần hiển thị số đủ, chẳng hạn Led đoạn sử dụng để hiển thị nhiệt độ phòng, đồng hồ đồng hồ treo tường điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm kiểm tra sau công đoạn … b Sơ đồ vị trí Led : Các điện trở 330Ω điện trở bên ngồi kết nối để giới hạn dòng điện qua Led Led đoạn nối với nguồn 5V Hình 2.14: Sơ đồ chân SEG-COM-ANODE hình ảnh minh họa c Kết nối với Vi điều khiển: Ngõ nhận tín hiệu điều khiển Led đoạn có đường, dùng Port Vi điều khiển để điều khiển Led đoạn Như Led đoạn nhận liệu bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 24 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Led đơn nó, liệu xuất điều khiển Led đoạn thường gọi "mã hiển thị Led đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị Led đoạn: mã dành cho Led đoạn có Anode(cực +) chung mã dành cho Led đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để thị số cần làm cho Led vị trí b c sáng, sử dụng Led đoạn có Anode chung phải đặt vào hai chân b c điện áp 0V(mức 0) chân lại đặt điện áp 5V(mức 1), sử dụng Led đoạn có Cathode chung điện áp(hay mức logic) hồn toàn ngược lại, tức phải đặt vào chân b c điện áp 5V(mức 1) Phần cứng kết nối với Port Vi điều khiển, để thuận tiện cho việc xử lí sau phần cứng nên kết nối sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, theo thứ tự Px.7 nối với chân h 2.5.4 Transistor a Định nghĩa Transistor hình thành từ ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N ,nếu ghép theo thứ tự PNP ta Transistor thuận , ghép theo thứ tự NPN ta Transistor ngược phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều Cấu trúc gọi Bipolar Junction Transitor (BJT) dòng điện chạy cấu trúc bao gồm hai loại điện tích âm dương (Bipolar nghĩa hai cực tính) Ba lớp bán dẫn nối thành ba cực, lớp gọi cực gốc ký hiệu B (Base), lớp bán dẫn B mỏng có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát (Emitter) viết tắt E, cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt C, vùng bán dẫn E C có loại bán dẫn (loại N hay P ) có kích thước nồng độ tạp chất khác nên khơng hốn vị cho Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 25 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Hình 2.15: Hình ảnh transistor b Ngun tắc hoạt động Transitor: Trong chế độ tuyến tính hay gọi chế độ khuyếch đại, Transitor phần tử khuyếch đại dòng điện với dòng Ic β lần dòng bazo (dòng điều khiển ) Trong β hệ số khuyếch đại dòng điện : IC = β.IB 2.5.5 Tụ điện Tụ điện linh kiện điện tử thụ động sử dụng rộng rãi mạch điện tử, chúng sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động Hình 2.16: Một số loại tụ điện 2.5.6 Rơle Rơle công tắc điều khiển từ xa đơn giản, dùng dòng nhỏ để điều khiển dòng lớn dùng để bảo vệ công tắc nên xem thiết bị bảo vệ Một rơle điển hình điều khiển mạch điều khiển nguồn Kết cấu rơle gồm có lõi sắt ,một cuộn từ tiếp điểm Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 26 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Hình 2.17: Cấu tạo Rơ le đơn giản hình ảnh Role 5V 2.5.7 IC ổn áp 7805 mạch tích hợp điều chỉnh điện áp Đây dòng IC họ 78xx điều chỉnh điện áp tuyến tính cố định Nguồn điện áp mạch có biến động không cho lượng điện áp cố định Các vi mạch điều chỉnh điện áp trì điện áp đầu giá trị không đổi Các xx 78xx cho biết lượng điện áp cố định thiết kế để cung cấp: 7805 cung cấp nguồn +5 V Hình 2.18: IC ổn áp 7805 Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 27 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 2.6.Sơ đồ nguyên lý mạch Các module kết nối với theo sơ đồ hình vẽ 7SEG V c c -5 V M P X -C A C T13 R R ES Y Z TB V1 10 L1 L2 A B C D E F G D P U 13 14 Vout O S C /C L K IN O S C /C L K O U T R B /IN T R B1 R B2 R B /P G M R B4 R B5 R B /P G C R B /P G D LE D TH U PVN VSS VC C D LED PH AT TH 1 O U T 10 V1 A A A A A A R E R E R E M C /A N /A N /A N /V R E F -/ C V R E F /A N /V R E F + /T C K I/C O U T /A N /S S * /C O U T R C /T O S O /T C K I /R D * /A N R C /T O S I/C C P /W R * /A N R C /C C P /C S * /A N R C /S C K /S C L R C /S D I/S D A L R */V P P R C /S D O R C /T X /C K R C /R X/D T LE D TH U VSS VC C U R R R R R R D LED PH AT O U T TH 11 12 31 32 VD D VSS VSS VD D P IC F 7 A R R R R R R R R D D D D D D D D /P /P /P /P /P /P /P /P S S S S S S S S P P P P P P P P T13 T14 J1 220V~ 33 34 35 36 37 38 39 40 TH TH V c c -5 V SW 15 16 17 18 23 24 25 26 S S S S S S S 19 20 21 22 27 28 29 30 L1 L2 D DEN D io t Vout R R ES Q N PN R R ES R R LS R ELAY R R V c c -5 V BT S S S S S S S V c c -5 V C T14 L1 L2 C 12V - D io t c a u + U C C IN 7805 O U T V c c -5 V C C G N D 220V~ L1 J2 B ie n a p Hình 3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 2.7.Thuật tốn điều khiển Chương trình có nhiệm vụ: • Kiểm tra xem người vào phòng hay khỏi phòng • Vi điều khiển thực ngắt cổng B để chuơng trình điều khiển thực  Giải thuật: Chương trình điều khiển thực dựa ngắt INTERRUPT vi điều khiển Chương trình hồn tồn khơng tham gia vào việc thực Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 28 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí điều khiển, chương trình có chức thực ngắt mạch cổng B thực điều khiển Các cổng B thực ngắt từ B4 ->B7 Đầu tiên ta bố trí thu phát hồng ngoại gần theo phương tạo thành mặt phẳng song song với mặt đất, thu phát nối với cổng B4 vi xử lý, thu phát thứ nối tới cổng B5 vi xử lý Khi có người qua, để biết người vào hay khỏi phòng Ta cần xem xét xem tín hiệu thu phát thứ bị gián đoạn trước hay tín hiệu thu phát hồng ngoại thứ Nếu mà tín hiệu thu phát thứ bị gián đoạn trước có nghĩa người vào phòng, tín hiệu thu phát thứ bị gián đoạn trước có nghĩa người khỏi phòng Vi xử lý ( cụ thể chương trình ) thực ngắt cổng B để thực đoạn chương trình Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 29 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí  Sơ đồ thuật tốn Trong đó: B4=input_pin(B4): Hình 3.2: Sơ đồ thuật tốntín hiệu từ Led thu B5=input_pin(B5):tín hiệu từ Led thu Khởi tạo Số ng: số lượng người phòng  Chương trình nạp vào Vi điều khiển Pic 16F877A Ngắt từ B4->B7 Để viết chương trình điều khiển ta sử dụng ngơn ngữ C viết phần Chương Tăng số trình Đ trình gồm chương trình mềm CCS chạy mơ Proteus Chương người lên B4=0 Bật tắtchính đèn ‘void den(ng)’, chương trình Hiển thị Led ‘void led(ng)’, chương trình Đếm người vào ‘intSdauvao()’, chương trình Đếm người ’int daura()’, chương trình Ngắt thay đổi trạng thái chân B4->B7 S Số ng> chương trình Chính =1 Hiển thị Đ 10 phần Các số biến chương trình : Mảng LED7[10] gồm số người tử, phần tử tương ứng với số từ đến mà Led 7Bật đoạn điệnsẽ hiển thị Ngắtvòng từ B4->B7 Biến chạy ‘i’ dùng cho lặp để quét Led Biến ‘ng‘ biểu thị cho số người phòng BiếnS‘L1, L2’ để hiển thị Led7 đoạn tương ứng B5=0 với chữ số hàng chục hàng đơn vị số người phòng Biến ‘vao, ra’ để thu nhận tín hiệu từ đầu hai Led thu : bình thường ‘vao=ra=1’, Đ có người cắt qua thu phát ‘vao=0’, qua thu phát thìGiảm ‘ra=0’ số Hai biến Đ ‘x y’ để xác nhận xem có tín Số hiệungđã qua thu phátngười hay không lượt người vào ra: ban đầu>0‘x=y=0’, người cắt qua Led thu x=1 ; người cắt qua Led thu S y=1 ; người qua thu phát 1,2 cài đặt lại : x=y=0 chuẩn bị cho lượt Chương trình sử dụng ngắt thay đổi trạng thái cổng B : có Số ng thay đổi trạng thái chân B4-> B7 cổng B chương trình =0 sinh ngắt Trong này, tùy vào tín Đ hiệu thu cổng B4 B5 chương trình ngắt gọi chương Tắttrình điện ‘dauvao’ chương trình ‘daura’ Chương trình ngắt trả giá trị số người phòng ’ng’ Star t Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 30 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Chương trình có vòng lặp vơ hạn giúp hệ thống làm việc liên tục, từ giá trị ‘ng’ trả từ chương trình ngắt, chương trình gọi hàm ‘den(ng)’ ‘Led(ng)’ để thực việc đóng cắt điện hiển thị CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế phần cứng Với đồ án môn học Hệ thống nhúng với đề tài ‘‘Hệ thống bật tắt đèn thông minh dùng cho phòng họp’’, việc thiết kế phần cứng mạch hệ thống cụ thể chia làm khối : - Khối nguồn - Khối cảm biến hồng ngoại - Khối hiển thị - Khối rơle chấp hành - Khối điều khiển 3.2 Thiết kế phần mềm  Mã lập trình : #include //thu vien cho Pic #use delay(clock=20M) // khai bao su dung tre int8 const LED7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; //mang hien thi cac so tu den long i,L1,L2,ng,x,y,vao,ra; //khai bao cac bien //============================================// void den(ng){ if (ng==0) output_a(0); //xuat cong a gia tri : tat den Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 31 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí else output_a(1); //xuat cong a gia tri : bat den } //============================================// void led(ng){ L1=(ng/ 1) % 10; // Lay so hang don vi L2=(ng/ 10) % 10; // Lay so hang chuc for(i=0;i