Báo cáo đồ án vi xử lí vi điều khiển đề tài thiết kế hệ thống tự động bật đèn cảnh báo khi có âm thanh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN  BÁO CÁO Đồ án Vi xử lí & vi điều khiển Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tự động bật đèn cảnh báo có âm Giáo viên hướng dẫn : Ts Ngơ Đình Thanh Sinh viên thực :Hoàng Trọng Khiêm- 18TDH2 Nguyễn Duy Khánh – 18TDH2 Trần Ngọc Nhân18TDH2 Trần Thanh Tuyên - Đà Nẵng, 4/06 - Mục lục CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 1.1 Xây dựng mục tiêu sơ đồ khối hệ thống dùng vi điều khiển 1.1.1 Mục tiêu đề tài .2 1.1.2 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống 2 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG .3 2.1 Giới thiệu linh kiện hệ thống 2.1.1 Vi điều khiển PIC18F4520 2.1.2 Cảm biến âm KY 037 2.1.3 Led đoạn 2.1.4 Led cảnh báo 2.1.5 Điện trở: .9 2.1.6 Transistor: 2.1.7 Tụ điện : .10 2.1.8 Thạch anh 10 2.2 Tính tốn linh kiện 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 hệ thống .16 3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN 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 hoàn thiện mạch……………………………………………………………20 4.3 Chạy mạch đánhgiá kết quả……………………………………………………………… 21 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ ĐỐI TƯỢNG ÂM THANH 1.1 Bản chất âm thanh: Âm dao động học (biến đổi vị trí qua lại) phân tử, nguyên tử hay hạt làm nên vật chất lan truyền vật chất sóng Đối với thính giác người, âm thường dao động, dải tần số từ khoảng 16 Hz đến khoảng 20 000 Hz, phân tử khơng khí, lan truyền khơng khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ kích thích não Tuy nhiên âm định nghĩa rộng hơn, tuỳ vào ứng dụng, bao gồm tần số cao hay thấp tần số mà tai người nghe thấy, khơng lan truyền khơng khí mà cịn truyền vật liệu 1.2 Ảnh hưởng âm đến sức khỏe người: Đối với thính giác người, âm thường dao động, dải tần số từ khoảng 16 Hz đến khoảng 20 000 Hz - Một số âm sống thường gặp: + + + + + + + 10 dB - thầm; 20 âm30 dB - tiếng ồn tự nhiên phịng; 50 dB - nói chuyện với giọng điệu bình tĩnh; 70 dB - mức độ tiếng ồn đường phố bận rộn 80 dB - vận hành động xe tải; 90 dB - tiếng ồn tàu tàu điện ngầm; Trung bình 110 dB - âm thiết bị buổi hòa nhạc + Mức độ tiếng ồn lớn nguy hiểm 70 dB + Âm có cường độ 130 dB gây đau đớn thể xác + Âm có cường độ 150 dB trở lên gây tử vong cho vũ trường Ảnh hưởng cường độ âm đến sức khỏe người: ngườ 1.3 Do độ ồn âm Độ ồn âm đo mức cường độ âm(L) Giá trị mức cường độ âm: L=10log(I/ I0) I: lượng lượng sóng âm truyền đơn vị thời gian qua đơn vị diện tích đặt vng 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 sơ đồ khối hệ thống dùng vi điều khiển 2.1.1 Mục tiêu đề tài -Hiểu rõ nguyên lí hoạt động cấu tạo vi điều khiển PIC18F4520 -Thông thạo ứng dựng hợp ngữ lập trình điều khiển vi điều khiển PIC18F4520 -Hoàn thiện đề tài :Thiết kế hệ thống cảnh báo âm theo mức , tương ứng với Led màu Xanh, Vàng, Đỏ Số lần cảnh báo hiển thị led đoạn 2.1.2 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống Hình sơ đồ khối hệ thống 2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống Cảm biến âm KY 037 chuyển đổi trực tiếp âm thnh từ môi trường điện áp ,ta đưa vào vi diều khiển PIC18f4520 Trong vi điều khiển tích hợp sẵn chuyển đổi tương tự số ADC quy đổi tín hiệu điện áp dạng nhị phân Qua q trình xử lí xuất thơng tin u cầu led đoạn cảnh báo led màu ( xanh vàng đỏ ) CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu linh kiện hệ thống 3.1.1 Vi điều khiển PIC18F4520 Hình 2.1 Vi điêu khiên PIC18F4520 PIC họ vi điều khiển RISC sản xuất công ty Microchip Technology PIC bắt nguồn chữ viết tắt "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thơng minh) sản phẩm hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm họ PIC1650 Vi điều khiển PIC18F4520 có đặc điểm bản: Sử dụng công nghệ nanoWatt: Hiệu cao, tiêu thụ lượng Kiến trúc RISC - 75 lệnh mạnh, hầu hết lệnh thực bốn chu kì xung Tốc độ thực lên tới 10 triệu lệnh 1s với tần số 40Mhz Có nhân cứng + Các nhớ chương trình liệu cố định - 32 Kbytes nhớ flash có khả tự lập trình hệ thống thực 100.000 lần ghi/xóa 256 bytes EEPROM thực 1.000.000 lần ghi/xóa 256 bytes SRAM + - Những ngoại vi tiêu biểu định thời/bộ đếm bit với chế độ tỉ lệ đặt trước chế độ so sánh Bộ đếm thời gian thực với tạo dao động riêng biệt kênh PWM 13 kênh ADC 10 bit Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình Watchdog Timer khả trình với tạo dao động bên riêng biệt Bộ so sánh tương tự + Các đặc điểm đặc biệt khác - + - Power on Reset Brown Out Reset Bộ tạo dao động nội RC Các nguồn ngắt bên bên ngồi I/O kiểu đóng gói Đóng gói 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-pad MLF Hình 2.2 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520 PIC18F4520 kèm với năm cổng (Port) cổng chứa chân trừ cổng E kèm với chân chức Thiết bị cấu hình 10 chế độ dao động khác giá trị tụ khác yêu cầu để tạo nguồn giao động để VXL làm việc Sơ đồ chân Input/Output Hình 2.3 Sơ đồ chân vi xử lý PIC18F4520 Lỗ bắt ốc 3mm 3.1.3 Led đoạn Hình 2.5 Hình thực tế sơ đồ chân led đoạn LED đoạn có loại: Chung cực dương: Mỗi đèn LED có chân (1 dương âm) Ở loại LED đoạn tất cực dương (Anode) nối chung Để làm đèn LED LED đoạn sáng cần cấp cực âm vào chân đèn Với loại LED đoạn cần điện trở để giới hạn dòng vào chân chung Chung cực âm: Tương tự ngược lại cần điện trở cho chân dương LED ● Thông số hoạt động cua led đoạn: -Điện áp rơi LED 2.2V -Dòng tối đa chạy qua LED 25mA -Dòng chạy bình thường: 10mA 3.1.4 Led cảnh báo Ở để hiển thị cảnh báo cho người dùng ta sủ dụng led đơn 5mm Hình 2.6 Led đơn Led đơn hay cịn gọi diode phát qt quang với thơng số : Hình 2.7 Thơng số led đơn 3.1.5 Điện trở: Điện trở linh kiện điện tử thụ động mạch điện có tác dụng hạn chế dịng qua Hình 2.8 Hình thực tế kí hiệu điện trở ● 3.1.6 Transistor: Transistor hay tranzito loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường sử dụng phần tử khuếch đại khóa điện tử Cũng giống điốt, transistor tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khi ghép bán dẫn điện âm nằm hai bán dẫn điện dương ta PNP Transistor Khi ghép bán dẫn điện dương nằm hai bán dẫn điện âm ta NPN Transistor Hình 2.9 Hình thực tế ký hiệu transistor 3.1.7 Tụ điện : Tụ điện linh kiện điện tử thụ động sử dụng rộngrãi mạch điện tử, chúng sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động 3.1.8 Thạch anh Hình 2.10 Hình thực tế tụ điện 3.1.8.1Chức Tạo khối dao động, để cấp xung nhịp cho vi điều khiển Thạch anh bị ảnh hưởng nhiệt độ nên tần số dao động tạo thưởng xác ổn định thơng thường người ta hay sử dụng mạch tạo dao động thạch anh thay dùng mạch tạo dao động RC 3.1.8.2Tần số Tần số dao động ghi lưng thạch anh, tần số dao động thạch anh thường sử dụng: MHz, MHz, MHz, 8MHz, 16 MHz, 20 MHz,… Hình 2.11 Thạch anh chân chân Hình 2.12 Thạch anh 2.2 Tính tốn linh kiện hệ thống 2.2.1 Tính điện trở: Điện trở qua led đoạn đơi Dịng cho led modul led đoạn 10mA Dòng cho led đoạn 10x8=80mA=Ic1=Ic2 Ib1=Ib2= RC= RB= =1.3mA 52Ω Chọn R2=R3=50Ω =3307Ω Chọn R1=R4=3300Ω Chọn điện trở kéo lên cho nút nhấn 10000Ω + khoảng 20mA Trở led cảnh báo Dịng điện để led báo có độ sáng phù hợp cho mắt người R= =160Ω Chọn R= 150Ω=R5=R6=R7 2.2.2.Tính chọn transistor Ta chọn loại : Transistor 2SC1815 loại NPN Vce=160V I=1A P=0.5W hFE=160 2.2.4 Tính chọn tụ điện Tụ điện cho mạch nguồn gồm tụ hóa phân cực giá trị 50V-1µF để lọc nhiễu cho nút nhấn Tụ điện cho mạch tạo dao động thạch anh Với thạch anh 20MHz chọn tụ gốm 15pF 2.2.6 Mạch nguồn Chọn modul hạ áp LM2596 có điện áp vào từ 6- 30V, điện áp 330v, dòng tối đa 3A để ổn định điện áp cho hệ thống; Sử dụng diode 1N5408 jack DC để cấp nguồn nhằm chống đáu ngược nguồn bảo vệ thiết bị CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1 THIẾT KẾ MẠCH NGUN LÍ 4.1.1 Nguồn nguồn ni Mạch nguồn cấp vào hệ thống : Chọn modul hạ áp LM2596 có điện áp vào từ 6-30V, điện áp 3-30v, dòng tối đa 3A để ổn định điện áp cho hệ thống; Sử dụng diode 1N5408 jack DC để cấp nguồn nhằm chống đáu ngược nguồn bảo vệ thiết bị 4.1.2 Khối xử lý Vi xử lý muốn hoạt động cần có nguồn tạo dao động Mặc định VXL PIC18F4520 sử dụng tạo dao động nội, sử dụng nguồn tạo dao động ngoại cách đưa vào chân OSC1/RA7 OSC2/RA6 Chọn mạch dao động thạch anh: Lựa chọn thạch anh 20MHz mắc hình vẽ với tụ C1 C2 có giá trị C1 = C2 = 15pF Thông số lựa chọn linh kiện cho mạch dao động cung cấp nhà sản xuất: Hình 3.2 Thơng số linh kiện Hình 3.3 sơ đồ mạch tao động pic 4.1.3 Khối cảm biến Hình 3.4 Sơ đồ nối dây KY037 vào PIC +Ta chọn ADC 10 bit có VEF=5V=5000mV 4.1.4 Khối chấp hành Khối chấp hành: Khối chấp hành xem thiết bị chấp hành điều khiển vi điều khiển gồm LED dùng cảnh báo mức nhiệt độ cho người dùng Hình 3.5 Led cảnh báo 4.1.5 Khối hiển thị Phương pháp quét LED: - Mắt người không phân biệt nhấp nháy hình ảnh tần suất nhấp nháy cỡ vào khoảng 24 hình/giây (thời gian hiển thị ảnh : ) -Hiển thị liệu sử dụng phương pháp quét LED phương pháp mà thời điểm liệu truyền đến LED có LED sáng, LED cịn lại tắt bật LED - Để hình ảnh khơng bị nhấp nháy bị mờ ta cần tính tốn khoảng thời gian bật/tắt cho LED: sử dụng LED đoạn , chọn tần suất hiển thị 30 hình/giây thời gian để hiển thị số có chữ số là: LED =16ms Vậy thời gian sáng tắt Hình 3.6 Sơ đồ khối hiển thị 4.1.6 Sơ đồ ngun lí hệ thống Hình 3.7 sơ đồ hệ thống