Lời nói đầu Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay việc sử dụng các vi điều khiển trong các hệ thống điện tử rất phổ biến cả về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng cho đến chuyên dụng, trong nhiều lĩnh vực như đo lường, điều khiển,…Nhờ vào ưu điểm của nó và cùng với sự phát triển kỹ thuật số với nền tảng là các mạch logic số dựa trên sự kết hợp của các cổng logic cơ bản mà ngày nay đã được tích hợp trong các IC số. Việc sử dụng màn hình máy tính để hiển thị thông tin nhằm mục đích điều khiển, giám sát,lấy thông tin tại các đối tượng cần khai thác. Trên cơ sở những kiến thức đã được học trong môn học kỹ thuật vi xử lý và điện tử số. Em được giao đề tài: “Thiết kế hộp đen cho thiết bị giao thông, cập nhật trên máy tính” . Mục đích là tìm hiểu sâu hơn về vi điều khiển và lĩnh vực kỹ thuật số để có thể nâng cao kiến thức của mình. Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của em còn rất nhiều sai sót, hạn chế. Mặc dù đã cố gắng phần nào thiết kế và tính toán một cách chi tiết các mạch, các thông số nhưng đôi khi còn mang tính lý thuyết,chưa thực tế. Em mong có sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật. 1 Chương 1:Tổng quan về hộp đen trên ôtô 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, hầu hết các phương tiện giao thông quan trọng đều đã được lắp hộp đen như: máy bay (đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 70 của thế kỷ trước), các tàu đường sắt cao tốc, vệ tinh, tàu ngầm lò phản ứng hạt nhân… nhằm hỗ trợ cảnh sát điều tra khi tai nạn xảy ra và để người ta có thể giám sát được hành trình của xe trong quá trình vận hành, định vị trí, tốc độ, khoảng cách dịch chuyển, trạng thái lắp mở động cơ, thiết bị điều hòa, đóng mở cửa, trạng thái xăng dầu. Thời gian gần đây, hàng loạt những vụ tai nạn giao thông đường bộ do ôtô gây ra thường hết sức thảm khốc, làm thiệt hại lớn về người và tài sản, đặc biệt là những vụ tai nạn do ôtô khách gây ra hậu quả nặng nề hơn vì số người thương vong lớn, để lại nỗi đau mất mát và hậu quả lâu dài cho nhiều gia đình và xã hội. Trước thực trạng đó, việc áp dụng rộng rãi hộp đen trong quản lý xe khách là một yêu cầu bức thiết góp phần giảm thiểu những tai nạn này. Hộp đen thực chất chỉ là một thiết bị ghi nhận diễn biến hành trình, nguyên tắc là thu nhận các tín hiệu từ các cảm biến: tốc độ, áp suất, nhiệt độ, mức, góc trục quay, để xử lý, đưa ra các chỉ thị cảnh báo trên đèn, còi, đồng hồ, hoặc điều khiển các cơ cấu chấp hành: cuộn dây van điện từ, kim phun nhiên liệu, Nó được kết cấu khá bền vững, chịu được va đập với áp lực cao, không bị phá hủy vì nhiệt và không thấm nước, nhất là khó can thiệp từ bên ngoài để điều chỉnh hoặc làm sai lệch các thông số đã ghi Kết cấu của hộp đen được thiết kế tùy thuộc vào mục đích sử dụng và đặc điểm về môi trường, không gian lắp đặt, do vậy hộp đen có hình thức, cấu trúc phức tạp, mức độ tinh xảo và tên gọi có thể khác nhau và tất nhiên là giá thành cũng khác nhau. 1.2. Cấu tạo của hộp đen 2 Hình 1.1 : Hình dáng bên ngoài của hộp đen Hộp đen được thiết kế đặc biệt giúp nó chịu được va đập (3.400 Gs), sức ép (227kg/6,5cm2), nhiệt độ (1.100 0 C), nước muối (dưới đáy biển) 24-30 ngày không gỉ, không hư hại. Hình 1.2: Cấu tạo bên trong của hộp đen Trong rất nhiều vụ tai nạn máy bay, thiết bị duy nhất còn hoạt động được chính là phần lõi của hai hộp đen được thiết kế có thể chống va đập cực mạnh (CSMU). CSMU có hình trụ được đặt bên trong các hộp đen. Đây là phần còn nguyên vẹn cho dù những bộ phận khác của hộp đen bị hư hại trong tai nạn vì được thiết kế để chịu được nhiệt độ cực lớn và va đập có lực ép hàng tấn. Để đảm bảo độ bền hộp 3 đen, nhà sản xuất phải tiến hành thử nghiệm đặc biệt tỉ mỉ đối với bộ phận lõi CSMU. Nếu các nhà điều tra có thứ này trong tay họ sẽ lấy lại được các thông tin họ cần. Những thử nghiệm của nhà sản xuất đối với phần lõi hộp đen thường là thử va đập cực mạnh giống một vụ tai nạn thực sự, thử lửa, thử ngập sâu dưới đáy biển có độ muối cao hay ngâm trong chất lỏng có nhiều hóa chất. Thông thường hộp đen có thể chịu được nhiệt độ cao tới 1.100 độ C trong 30 phút liên tục và ngâm dưới độ sâu lên tới 6.100 mét trong 30 ngày. 1.3. Nguyên lý hoạt động của hộp đen Khi hộp đen được lắp trên máy bay, Trên mối chiếc máy bay đều có hai thiết bị cùng được gọi là hộp đen gồm Máy ghi âm buồng lái (CVR) và Máy ghi dữ liệu chuyến bay (FDR). Cả hai đều hoạt động từ nguồn điện lấy từ máy phát sản sinh điện từ động cơ máy bay. Hình 1.3: Máy ghi âm buồng lái a.Máy ghi âm buồng lái (CVR) Tất cả các máy bay thương mại ngày nay đều có các microphone gắn trong buồng lái, nhằm lưu lại mọi liên lạc và trao đổi của phi hành đoàn. Các microphone này cũng được thiết kế để bắt được mọi tiếng động khác trong buồng lái như tiếng bật công tắc, gõ cửa Thông thường mỗi buồng lái máy bay có 4 microphones được gắn trong tai nghe của cơ trưởng, tai nghe của phi công phụ lái, tai nghe của thành 4 viên thứ ba phi hành đoàn và gắn tại trung tâm buồng lái, nơi có thể ghi lại các tín hiệu báo động và những âm thanh khác. Mỗi chiếc microphone này nối trực tiếp tới hộp đen CVR. Mọi âm thanh trong buồng lái đều được các microphone này thu lại và chuyển tới CVR, nơi tiến hành mã hóa và lưu trữ. Hầu hết các CVR sử dụng công nghệ băng từ có thể ghi lại 30 phút âm thanh, khi nào hết lại ghi lại từ đầu. Do đó chúng luôn ghi lại 30 phút trao đổi cuối cùng trong buồng lái trước khi tai nạn xảy ra. Trong khi đó, hộp đen CVR sử dụng công nghệ thể rắn có thể ghi được tới 2 tiếng âm thanh. b.Máy ghi dữ liệu chuyến bay (FDR) Chiếc hộp đen thứ hai trên máy bay này được thiết kế để ghi lại nhiều dữ liệu hoạt động từ các hệ thống vận hành trên máy bay. Có các cảm biến điện tử được nối từ nhiều vị trí trên máy bay tới thiết bị thu nhận dữ liệu chuyến bay. Từ đây dữ liệu tiếp tục được chuyển về hộp đen FDR lưu trữ. Bất cứ công tắc nào trên máy bay được bật hoặc tắt cũng đều được FDR ghi lại. Tại Mỹ, Cơ quan quản lý hành không liên bang (FAA) của nước này quy định máy bay thương mại phải ghi lại tối thiểu 11 tới 29 thông số của chuyến bay tùy quy mô chở khách của máy bay. Các hộp đen FDR dùng công nghệ băng từ có thể ghi tối đa 100 thông số, trong khi FDR dùng công nghệ thể rắn có thể ghi lại hơn 700 thông số. Công nghệ thể rắn có thể lưu nhiều thông số hơn vì chúng cho phép dữ liệu được truyền nhanh hơn. FDR thể rắn có thể lưu tới 25 tiếng dữ liệu chuyến bay và mỗi thông số đều cho phép các nhà điều tra có thêm đầu mối để xác định nguyên nhân tai nạn. Những thông số chính của chuyến bay mà hầu hết các FDR đều phải ghi lại gồm thời gian bay, áp suất, tốc độ bay, gia tốc thẳng đứng, ví trí các bộ phận cánh và lưu lượng của nhiên liệu. Nếu khi xảy ra tai nạn thì Sau khi tìm thấy hộp đen, người ta sẽ bảo vệ nó trong môi trường mà từ đó chúng được tìm ra cho đến khi được tháo rời để khôi phục để tránh bị thiệt hại thêm. Sau khi đưa đến phòng thí nghiệm, các nhà khoa học tải các 5 dữ liệu từ hai bộ phận của hộp đen và cố gắng tái tạo các dữ kiện của tai nạn. Quá trình này có thể chỉ mất vài chục phút nếu hộp đen còn nguyên vẹn nhưng cũng có thể mất vài tuần hoặc vài tháng để hoàn thành. Các nhà sản xuất hộp đen thường cung cấp cho nhà điều tra hệ thống đọc hộp đen và các phần mềm khôi phục cần thiết để phân tích đầy đủ các số liệu lấy từ chúng. Chương 2: Vi điều khiển 8051 và các vi mạch phụ trợ 2.1.Tổng quan về vi điều khiển 2.1.1. Cấu trúc chung của họ vi điều khiển 8051 6 Hình 2.1: Cấu trúc chung của họ vi điều khiển 8051 Trong phần này chúng ta nghiên cứu các thanh ghi chính của 8051 và trình bày cách sử dụng với các lệnh đơn giản MOV và ADD. Các thanh ghi Trong CPU các thanh ghi được dùng để lưu cất thông tin tạm thời, những thông tin này có thể là một byte dữ liệu cần được sử lý hoặc là một địa chỉ đến dữ liệu cần được nạp. Phần lớn các thanh ghi của 8051 là các thanh ghi 8 bit. Trong 8051 chỉ có một kiểu dữ liệu: Loại 8 bit, 8 bit của một thanh ghi được trình bày như sau: Với MSB là bit có giá trị cao nhất D7 cho đến LSB là bit có giá trị thấp nhất D0. (MSB -Most Sigfican bit và LSB - Leart Significant Bit). Với một kiểu dữ liệu 8 bit thì bất kỳ dữ liệu nào lớn hơn 8 bit đều phải được chia thành các khúc 8 bit trước khi được xử lý. Vì có một số lượng lớn các thanh ghi trong 8051 ta sẽ tập trung vào một số thanh ghi công dụng chung đặc biệt trong các chương kế tiếp. Các thanh ghi được sử dụng rộng rãi nhất của 8051 là A (thanh ghi tích luỹ), B, 7 R0 - R7, DPTR (con trỏ dữ liệu) và PC (bộ đếm chương trình). Tất cả các dữ liệu trên đều là thanh ghi 8 bit trừ DPTR và PC là 16 bit. Thanh ghi tích luỹ A được sử dụng cho tất cả mọi phép toán số học và lôgíc. • Mô tả chân của 8051: Mặc dù các thành viên của họ 8051 (ví dụ 8751, 89C51, DS5000). Tuy nhiên, vì hầu hết các nhà phát triển chính sử dụng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên ta chỉ tập chung mô tả phiên bản này. Hình 2.2: Sơ đồ bố trí chân của 8051. Trên hình là sơ đồ bố trí chân của 8051. Ta thấy rằng trong 40 chân thì có 32 chân dành cho các cổng P0, P1, P2 và P3 với mỗi cổng có 8 chân. Các chân còn lại được dành cho nguồn V CC , đất GND, các chân giao động XTAL1 và XTAL2 tái lập RST cho phép chốt địa chỉ ALE truy cập được địa chỉ ngoài EA , cho phép cất chương trìnhSEN. 8 Trong 8 chân này thì 6 chân V CC , GND, XTAL1, XTAL2, RST và EA được các họ 8031 và 8051 sử dụng. Hay nói cách khác là chúng phải được nối để cho hệ thống làm việc mà không cần biết bộ vi điều khiển thuộc họ 8051 hay 8031. Còn hai chân khác là PSEN và ALE được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống dựa trên 8031. Các chế độ đánh địa chỉ của 8051 Các chế độ đánh địa chỉ khác nhau của bộ vi xử lý được xác định như nó được thiết kế và do vậy người lập trình không thể đánh địa chỉ khác nhau là: 1. tức thời 2. Theo thanh ghi 3. Trực tiếp 4. gián tiếp qua thanh ghi 5. Theo chỉ số Đặc điểm chính của họ vi xử lý 8051: - 4k byte ROM, 128k byte RAM. - 4 port I/O 8 bit. - 2 bộ đếm/ định thời 16 bit. - Mạch giao tiếp nối tiếp. - 64k byte không gian nhớ chương trình ngoài. - 64k byte không gian nhớ dữ liệu mở rộng. - Một bộ xử lý bit ( thao tác trên các bit riêng rẽ ). - 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit. - Nhân /chia trong 4 µs. 2.2. Giới thiệu về encoder a.Tổng quát về encoder Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Encoder được chia làm 2 loại: absolute encoder ( encoder tuyệt đối ) và incremental ( encoder tương đối ). Đối với loại encoder tuyệt đối thì tín hiệu ta 9 nhận được, chỉ rõ ràng vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm cũng biết chính xác vị trí của encoder. Còn đối với encoder tương đối thì loại này chỉ có 1, 2, hoặc 3 vòng lỗ. Ta có thể hình dung như thế này, nếu bây giờ ta đục thêm một lỗ trên một cái đĩa quay thì cứ mỗi lần quay được 1 vòng ta sẽ nhận được tín hiệu và ta biết được đĩa quay được 1 vòng. Nếu bây giờ trên đĩa đó có nhiều lỗ hơn thì ta sẽ có được những thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng tùy theo số lỗ nằm trên encoder. Hình 2.3. Đĩa encoder. b, Nguyên lý hoạt động của encoder Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ. Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder. 10 [...]... newcount - oldcount Từ giá trị đếm được số xung đó ta tính được vận tốc của động cơ NHớ là encoder có 100xung/vòng 2.3 Giao tiếp VĐK với máy tính thông qua cổng RS232 Bộ vi điều khiển AT89S51 có khả năng giao tiếp với thiết bị ngoại vi qua cổng nối tiếp Vấn đề này duy nhất khi giao tiếp với máy tính là mức logic ở bộ vi điều khiển và cổng COM của máy tính khác với nhau So sánh điện áp ở các mức logic... sẵn cho chúng ta một công cụ truyền tin qua cổng nối tiếp là Hyper Terminal Sau đó nhập kết nối, chọn cổng nối tiếp và thiết lập các thông số cho cổng nối tiếp Và các thông số này phải giống như thiết lập cho cổng nối tiếp của vi điều khiển Chương 3 :Xây dựng mạch phần cứng 3.1 Sơ đồ khối hệ thống đo tốc độ động cơ Việc thiết kế một hệ vi xử lý bao gồm cả việc thiết kế phần cứng vào và viết phần mềm cho. .. giữa vi điều khiển với máy tính qua cổng RS232 sử dụng vi mạch đổi mức MAX232 Như vậy thực chất của việc truyền thông qua cổng nối tiếp là việc truyền mã ASCII của ký tự Trong chương trình cho vi điều khiển để gửi cho máy các ký tự từ ‘0’ đến ‘9’ ta phải truyền mã ASCII của chúng lần lượt từ 0x30 đến 0x39 Để kiểm tra xem máy tính có nhận được các ký tự này hay không ta phải cho máy tính thi hành chương... hệ vi xử lý bao gồm cả việc thiết kế phần cứng vào và viết phần mềm cho nền tảng phần cứng mà ta thiết kế Việc xem xét giữa tổ chức phần cứng và chương trình phần mềm cho một thiết kế là một vấn đề cần phải cân 16 nhắc Vì khi tổ chức phần cứng càng phức tạp, càng có nhiều chức năng hỗ trợ cho yêu cầu thiết kế thì phần mềm càng được giảm bớt và dễ dàng thực thi nhưng lại đẩy giá thành sản phẩm lên cao,... lại cho phép bảo trì hệ thống dễ dàng hơn cũng như việc phát triển tính năng của hệ thống từ đó có thể đưa ra gia thành cạnh tranh Khối nguồn Khối hiển thị Khối thu phát tín hiệu Động cơ Khối xử lý Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống đo tốc độ động cơ a, Khối nguồn Nguồn điện được thiết kế riêng sử dụng IC 7805 cho phép cung cấp điện áp ổn định 5V với điện áp vào thay đổi từ 9-12V Mạch nguồn được thiết kế. .. dạng xung điện áp và biến đổi xử lý thành các tín hiệu điều khiển để đưa ra hiển thị trên máy tính e, Khối hiển thị: Hình 3.4 Khối hiển thị tín hiệu từ vdk trên máy tính 19 Hình 3.5 Sơ đồ tổng thể của mạch Chương 4 Sơ đồ thuật toán và code lệnh chương trình 20 4.1 Sơ đồ thuật toán điều khiển a Thuật toán xử lý tín hiệu trên vi điều khiển Hình 4.1 Lưu đồ 1 b Lưu đồ truyền dữ liệu 21 Begin Khởi phát :... ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; TIMER0 : CLR TR0 INC R7 MOV TH0,#0H MOV TL0,#0H SETB TR0 RETI END 3.3 Kết luận - Mạch đã thực hiện được yêu cầu giao tiếp truyền thông nối tiếp vi xử lý và máy tính * Điều chưa đạt được: - Tuy nhiên phần mềm điều khiển phải thực hiện công việc kiểm tra từng cổng xuất nhập hiển thị và lưu giữa trên máy tính chưa làm được Nên thay 1 chương trình khác hợp lý hơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]: Tống... thanh ghi bộ đệm dữ liệu End 4.2 Chương trình điều khiển 23 #include ORG 0000h ;khoi tao truyen thong noi tiep MOV TMOD,#20H ;chon timer 1 che do 2 MOV TH1,#-3 ; chon nhan voi toc do Baud 9600 MOV TH0,#-3 ; chon truyen voi toc do Baud 9600 MOV SCON,#50H ; chon khung du lieu 8 Bit LAP:SETB TR1 ; khoi dong bo Timer 1 HERE: JNB RI,HERE MOV A,SBUF ; doi nhan het toan bo ki tu ; luu cat du lieu... đối rất có lợi cho những trường hợp khi góc quay là nhỏ, và động cơ không quay nhiều vòng Khi đó, việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay được vị trí góc của trục quay Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng, điều này không có lợi, bởi vì khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số vòng quay của trục Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt... báo nguồn b, Khối động cơ Hoạt động của động cơ được xác định mỗi khi có sự thay đổi tín hiệu xung nhận được khi có chùm sáng từ cảm biến phát quang qua khe đặt trên cánh động cơ xuống cảm biến thu quang Tín hiệu thu từ bộ cảm biến hồng ngoại có tính chất tuần hoàn do động cơ hoạt động theo chu kỳ Chính vì vậy, ta có thể xác định được số vòng quay trong một giây Tín hiệu thu được từ bộ cảm biến chưa ổn . của hộp đen Khi hộp đen được lắp trên máy bay, Trên mối chiếc máy bay đều có hai thiết bị cùng được gọi là hộp đen gồm Máy ghi âm buồng lái (CVR) và Máy. thác. Trên cơ sở những kiến thức đã được học trong môn học kỹ thuật vi xử lý và điện tử số. Em được giao đề tài: Thiết kế hộp đen cho thiết bị giao thông,