4 6 15 điều khiển và giám sát nhà cao tầng dùng vi xử lí 89c51

= BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG  Đề tài: GVHD: Nguyễn Thị Phương Hà SVTH : Lê Hoàng Dũng K97TĐ MSSV : 49700301 01-2002 LỜI CẢM TẠ Sinh viên thực xin bày tỏ lịng biết ơn đến Nguyễn Thị Phương Hà cương vị người hướng dẫn đề tài tận tình giúp đỡ suốt trình thực đồ án Sinh viên thực xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy trường Đại Học Kỹ Thuật tận tình dạy dỗ truyền thụ kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Cuối sinh viên thực xin chân thành cảm ơn tác giả tài liệu tham khảo tập báo cáo đóng góp ý kiến cuả tất bạn sinh viên suốt trình thực đo án 2001 Ngày 20 tháng năm Sinh viên thực Lê Hoàng Dũng MỤC LỤC PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Chương I: Tổng quan đề tài phương án thiết kế thi công I Yêu cầu đề tài .1 II Hướng thực đề tài III Vấn đề kết nối mạng Chương II: Sơ lược cảm biến báo cháy I Chuyển đổi nhiệt điện Chuyển đổi cặp nhiệt điện .6 Các loại cảm biến nhiệt II Mạch phát khói ( dùng cảm biến quang hay cảm biến ion ) Mạch phát khói dùng phương pháp quang ( cảm biến quang) .8 Mạch phát khói dùng nguyên lý ion (cảm biến ion) A III Mạch phát cháy 10 Tế bào quang điện 10 Quang điện trở 10 Photo diode .10 B IV Đo nhiệt độ thạch anh 11 Cộng hưởng thạch anh .11 Độ nhạy nhiệt .13 Cách thực nhiệt kế đo .13 PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHÀ CAO TẦNG DÙNG VI XỬ LÝ 89C51 A Thiết kế phần cứng .15 I Tổng quan đề tài .15 Sơ lược đề tài 15 Các khối chức 17 II Thiết kế phần cứng 17 Cảm biến quang Mạch mô cảm biến quang phát người 19 Mạch động lực đóng cắt thiết bị 20 Mạch nguồn cung cấp 21 Mạch hiển thị nhiệt độ LED đoạn .22 Cơng tắc đóng ngắt thiết bị theo u cầu 23 Mạch chuông 23 Mạch giao tiếp máy tính qua mạng RS-485 .24 Mạch cảm biến đo nhiệt độ dùng IC LM335 .28 10 Thiết kế mạch 89C51 sơ đồ chân chức chúng .32 10.1 Giới thiệu vi xử lý 89C51 .32 10.2 Tổ chức sử dụng chân 89C51 .37 B Lưu đồ giải thuật 40 C Chương trình vi xử ly ù61 D Giới thiệu IC dùng đề tài 72 PHẦN III: GIAO TÍÊP MÁY TÍNH VỚI VI XỬ LÝ Chương I: Sơ lược mạng máy tính giao thức truyền 77 A Tổng quan mạng máy tính 77 I Các yếu tố mạng máy tính 77 II Phân loại mạng máy tính .78 III Đường truyền vá thiết bị dùng mạng máy tính78 B Giao tiếp nối tiếp 81 I Đặc điểm chuẩn RS-232, RS-422, RS-485 82 RS-232 .82 RS-422 .83 RS-485 .83 II Các phương thức truyền thông 83 III Truyền thông tuần tư 84 Chương II: Giao tiếp máy tính với vi xử ly A Điều khiển thu phát liệu thông qua cổng Com 86 I Cổng RS-232 86 II Chip thu phát bất đồng bộ-Vi mạch UART (Universal Asynchronous Receiver) 8250A/16450 88 III Truyền nhận liệu qua cổng nối tiếp 89 I Chương III: chương trình truyền thơng ngơn ngữ visual basic 6.0 I Tổng quan Visual Basic 90 II Truyền thông nối tiếp dùng visual basic 92 III Phần giao diện .101 PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TOÀ NHÀ BẰNG VI XỬ LÝ 89C51 I Yêu cầu đề tài: Trong sống tại, khoa học kỹ thuật phát triển nhanh, công cụ đời giúp giải phóng lao động trí óc: nghiên cứu, cải tiến, sáng tạo Chỉ tiêu khoa học kỹ thuật nâng cao chất lượng hiệu suất công việc, công nghệ tự động đời đáp ứng nhu cầu Cho nên, em nghiên cứu đề tài “ Điều khiển giám sát nhà cao tầng dùng vi xử lý 89C51 qua mạng RS-485 Các kít vi xử lý hoạt động hồn tồn độc lập theo chương trình lập sẵn Bên cạnh đó, chúng cịn giám sát điều khiển thiết bị phịng thơng qua gởi lệnh đến kít vi xử lý cần điều khiển để thi hành lệnh Ngồi việc điều khiển thiết bị dùng điện phịng, ta cịn đảm bảo an ninh cho phòng hệ thống phát cháy, phát trộm cảm biến quang Một chuyên gia công nghệ nhà thông minh ( Home Automation ) – Kenne P.Wacks – viết báo giới thiệu nhà thông minh sau: “ Hơn năm qua, công nghệ gọi công nghệ nhà thông minh nghiên cứu phát triển Công nghệ tạo nên hệ thiết bị cung cấp cho người dùng chúng Những cơng nghệ trước với khái niệm nhà thông minh sau tạo nên sản phẩm loại hình dịch vụ mẻ tương lai Một số cơng ty giới thiệu nhà tự động Một vài công ty lớn viện nghiện cứu thăm dò công nghệ đầy tiềm Mạng truyền thông nhà cung cấp sở hạ tầng để liên kết thiết bị cảm biến, điều khiển bảng điều khiển nhà Điều trở nên khả thi cách tạo phát triển công nghệ truyền thông nhà tự động Trong nhà thông minh từ “thiết bị” không đề cập đến dụng cụ nhà bếp, thiết bị video/audio, hệ thống dịch chuyển , thiết bị chiếu sáng, thiết bị sưởi ấm, làm lạnh, hệ thống an ninh Công nghệ bật đèn xanh cho công ty nghiên cứu cho đời sản phẩm hình thức dịch vụ Các sản phẩm có chung điểm tương đồng thuộc tính tương tự Các thuộc tính là:  Vai trị thiết bị nhà thơng minh: hầu hết thiết bị nhà có vỏ nhựa hay kim loại Một vài thiết bị vận hành độc lập với thiết bị khác Tuy nhiên có dụng cụ cần có thiết bị khác điều khiển Các thiết bị ngơi nhà thơng minh truyền liệu Ta nhóm thiết bị lại chung nhóm Ví dụ: hệ thống an ninh, hệ thống Audio/Video Trong tương lai hệ thống cho phép máy giặt hay máy rửa chén yêu cầu phận nung nóng nước, chuẩn bị nước nóng chúng cần đến  Sự hợp chuẩn truyền thông: thiết bị tương lai có chuẩn truyền thơng chung, có dây nối đặc biệt Tiêu chuẩn nhà thông minh làm nhẹ bớt công việc nhà sản xuất việc phải sáng chế giao thức truyền thông cung cấp đường dây dẫn liệu  Yêu cầu đề tài mà em giao: - Thiết kế phần cứng mạch báo cháy tự động - Mạch động lực điều khiển thiết bị dùng điện vi xử lý - Mạch phát trộm cảm biến: dùng LED hồng ngoại - Mạch giao tiếp máy tính vi xử lý - Lập trình giao tiếp ngơn ngữ visual basic II Hướng thực đề tài Để thực phần cứng đảm bảo yêu cầu trên, em thiết kế mạch mô cảm biến quang phát trộm cảm biến quang đếm người vào phịng Do mạch cảm biến cháy có giá trị cao nên em dùng IC đo nhiệt độ để mơ Đó IC nhiệt LM 335 Dùng vi xử lý 89C51 để điều khiển mạch động lực đóng tắt thiết bị Chuẩn truyền thơng nối tiếp thông dụng RS-232C, nhiên chuẩn truyền thông dùng truyền số liệu khoảng cách ngắn (15m) Nên để truyền liệu từ kit vi xử lý máy tính khoảng cách xa ta dùng chuẩn RS-485 Để chuyển đổi từ chuẩn RS-232C sang chuẩn RS-485 ta cần phải có mạch điện chuyển đổi Sơ đồ khối mạch chuyển đổi sau: Kit vi xử lí I TXD Max 75176 RTS 232 PC RXD Kit vi xử lí II Sơ đồ khối mạch kết nối máy tính kit vi xử lí Kit vi xử lý em thiết kế có chức sau:  Đo nhiệt độ phòng hiển thị lên LED đoạn, chức đo nhiệt độ, mạch thay cho cảm biến cháy Khi nhiệt độ IC LM335 tăng lên, tùy theo mức lập sẵn chương trình mà báo chuông, hay gởi liệu máy tính biết trạng thái phịng theo giao thức truyền liệu theo kiểu hỏi vòng  Ngồi ra, mạch cịn có chức đếm số người hay vào phòng Trong phòng để đảm bảo tính tự động hồn tồn khơng có cơng tắc điện thiết bị mà vi xử lý điều khiển Nếu số người phịng lớn hay vi xử lý gởi tín hiệu đến mạch động lực kích đóng thiết bị quạt, máy lạnh, đèn Nếu người phịng khơng vi xử lý gởi tín hiệu đến mạch động lực tắt thiết bị phịng Tuy nhiên, mạch có hai nút nhấn hay số nút nhấn để người phịng điều khiển có tín hiệu hồi tiếp vi xử lý nhận biết thiết bị đóng hay mở Khi người dùng nhấn nút tương ứng tùy vào trạng thái thiết bị mà vi xử lý kích đóng hay ngắt thiết bị Phần làm cho mạch linh động, khơng tn theo chương trình phần mềm cài sẵn cách cứng ngắt  Giả sử nhiệt độ ngồi trời giảm xuống khoảng 15 oC khơng cần bật máy lạnh làm Tuy nhiên, vi xử lý nhận thấy có người phịng đóng nguồn cho máy lạnh hoạt động Người phịng tắt máy lạnh nút nhấn mạch vi xử lý Ta khắc phục nhược điểm cách viết chương trình cho vi xử lý so sánh nhiệt độ phòng với nhiệt độ chuẩn ( 15oC chẳng hạn ) Nếu nhiệt độ đo bé 15 oC tắt máy lạnh Do mạch sử dụng ADC 0809 sai số tương đối không nhiều, nhiên mạch gia cơng tín hiệu IC nhiệt LM335 nhiệt độ thấp áp nhỏ ADC đổi sai số tương đối cao Sai số mạch gia công gây đồng thời cộng thêm sai số thân ADC 0809 Cho nên không đảm bảo mạch hoạt động thiết kế nhiệt độ nhỏ 15oC  Mạch cảm biến quang dùng để phát trộm đặt thiết bị hay dụng cụ cần gìn giữ III Vấn đề kết nối mạng Thuật ngữ mạng trở nên quen thuộc mạng thông tin Internet ngày trở nên gần gũi với người Nếu quản lý thiết bị phịng theo phương pháp thơng thường khơng kinh tế tiết kiệm Ta cần phải làmPC để tiết kiệm cho nhiều tốt Cho nên để tránh lãng phí ta nên điều khiển thiết bị máy tính RTScó thể tắt Chỉ cần nhân viên hay mở thiết bị phòng RXD TXD Nếu ta tắt thiết bị tay khơng kinh tế, khách khỏi Khối chuyển đổi phịng mà qn tắt thiết bị lãng phí nhiều lượng điện RS-485 sang R-232 Tiết kiệm phần lượng hao phí ta giúp cho việc giảm giá thành kinh doanh cho thuê phòng chẳng hạn B A thiết bị thơng qua vi xử lý, đồng lưu trữ Máy tính có khả đóng tắt trạng thái thiết bị trước A B B Khối chuyển đổi mức TTL sang RS-485 RXD TXD Kit vi xử lí phịng A B Khối chuyển đổi mức TTL sang RS-485 Điều RXD khiển TXD Kit vi xử lí phịng Điều khiển A Khối chuyển đổi mức TTL sang RS-485 RXD TXD Kit vi xử lí phịng Sơ đồ khối mạch kết nối máy tính kit vi xử lí Điều khiển Chương II GIỚI THIỆU VỀ CÁC MẠCH BÁO CHÁY Cảm biến dựa vào đặc tính vật lý vật liệu, tượng vật lý để chuyển đổi đại lượng phi điện thành tín hiệu điện để đơn giản q trình đo lường tính tốn Mơ tả tốn học cảm biến hàm truyền ký hiệu H Phương trình mơ tả cảm biến biểu diễn sau: Đại lượng (điện)=H x đại lượng vào (phi điện)  Các đặc tính chuẩn cảm biến: _ Độ nhạy _ Độ ổn định _ Nhiễu (có khả hoạt động trường có tín hiệu gây nhiễu hay nhiễu cảm biến sinh trình hoạt động) _ Tầm đo _ Độ tuyến tính (cảm biến có độ tuyến tính cao tốt)  Hệ thống báo cháy thường gồm loại mạch báo cháy thông dụng: _ Mạch báo cháy nhiệt _ Mạch báo cháy khói _ Mạch báo cháy lửa Hầu hết linh kiện điện tử có đặc tính nhiệt thay đổi theo nhiệt độ Nhưng để làm cảm biến ta chọn vật liệu có độ nhạy cao hàm truyền tốt mà thơi Đây loại cảm biến tương đối phức tạp tinh vi, sử dụng linh kiện điện tử chuyên dụng Các linh kiện điện tử có nhiều thị trường linh, kiện Việt Nam Nó sử dung ngun tắc dịng hay áp linh, kiện thay đổi nhiệt độ nơi đặt thiết bị thay đổi Tùy theo loại mà tăng hay giảm đại lượng điện theo nhiệt độ Loại cảm biến nhạy gây tình trạng báo động nhầm có nguồn nhiệt để gần cảm biến Ví dụ thân nhiệt người chẳng hạn I Chuyển đổi nhiệt điện : Chuyển đổi nhiệt điện chuyển đổi dựa trình nhiệt đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt… Thực tế đo lường đại lượng không điện theo phương pháp điện thường dùng hai tượng, ( hiệu ứng nhiệt điện hiệu ứng thay đổi nhiệt trở dây dẫn hay chất bán dẫn nhiệt độ thay đổi Tương ứng với hai tượng trên, người ta phân thành hai loại: chuyển đổi cặp nhiệt điện chuyển đổi nhiệt điện trở Chuyển đổi cặp nhiệt điện: a Nguyên lý làm việc cặp nhiệt điện : chủ yếu dựa hai tượng sau: Nếu hai dây dẫn khác nối với hai điểm 2, hai điểm ( ví dụ ta lấy điểm 1) đốt nóng mạch xuất dịng điện gây sức điện động gọi sức điện động nhiệt điện, hiệu số hàm số nhiệt độ ET = f(t1)- f(t2) Mạch điện gọi cặp nhiệt điện hay cặp điện ngẫu Điểm đốt nóng gọi đầu cơng tắc ( điểm ), điểm lại gọi đầu tự do( điểm thứ ) số f(t2)=const thì: ET = f(t1) – C Biểu thức sở phép đo nhiệt độ cặp nhiệt điện Theo phương pháp này, việc đo nhiệt độ t1 dẫn đến việc đo sức điện động cặp nhiệt điện giữ cố định nhiệt độ đầu tự Vật liệu dùng để chế tạo cặp nhiệt điện ngẫu cần đảm bảo yêu cầu sau: quan hệ sức điện động nhiệt điện với nhiệt độ hàm đơn trị, tính chất nhiệt điện khơng thay đổi, độ bền hóa học học phải cao, dẫn nhiệt tốt, có trị số suất điện động nhiệt lớn Cặp nhiệt điện nối với phương pháp hàn đặc biệt đặt thiết bị bảo vệ nhằm tránh bị ăn mịn hóa học, thiết bị chế tạo từ vật liệu bền học, không thấm khí, khơng bị ăn mịn Thiết bị thường ống chế tạo thép đặc biệt Đối với cặp nhiệt điện quí , ống bảo vệ chế tạo thạch anh gốm Để cách điện người ta dùng Amian (3000C ), ống thạch anh ( với 10000C ) ống sứ đến 1400C b Những nguyên nhân gây sai số hiệu chỉnh cho đúng: Ta biết phương trình biến đổi cặp nhiệt điện trường hợp chung, cách gần biểu diễn dạng : ET =A.t+B.t2 +C.t3 ET : sức điện động nhiệt T: hiệu nhiệt độ đầu công tắc đầu tự A, B, C :các số phụ thuộc vào vật liệu dây làm cặp nhiệt điện Và độ nhạy tính sau: ST  A+2Bt +3Ct Độ nhạy số mà phụ thuộc vào nhiệt độ Do cặp nhiệt điện công nghiệp thường cho trước bảng sức điện động ứng với nhiệt độ khác khoảng 10C với đầu tự 00C c Chuyển đổi nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở chuyển đổi có điện trở thay đổi theo thay đổi nhiệt độ Tùy theo tác dụng nhiệt dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi người ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng nhiệt điện trở khơng đốt nóng Trong nhiệt điện trở khơng đốt nóng dịng điện chạy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ điện trở nhiệt độ nhiệt độ mơi trường Nhiệt điện trở loại dùng để đo nhiệt độ đại lượng học đo dịch chuyển Nhiệt điện trở đốt nóng, dịng điện chạy qua lớn làm nhiệt độ tăng lên cao nhiệt độ mơi trường , nên có tỏa nhiệt môi trường xung quanh Nhiệt điện trở loại dùng việc đo lưu lượng, lưu tốc dịng chảy, phân tích chất hóa học… Nhiệt điện trở chế tạo dây chất bán dẫn Yêu cầu vật liệu chế tạo có hệ số nhiệt độ lớn, bền hóa học, điện trở suất lớn, khó nóng chảy… Để giảm tổn hao nhiệt dẫn, chiều dài nhiệt điện trở cần phải lớn đường kính dây gấp nhiều lần Các loại cảm biến nhiệt: a Thermocouples: Thermocouples biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp DC nhỏ Nó gồm có hai dây kim loại khác nối với hai đầu mối nối Khi mối nối đặt vị trí khác nhau, dây dẫn xuất sức điện động Sức điện động tỉ lệ với chênh lệch nhiệt độ hai đầu mối nối Thermocouples có hệ số nhiệt dương b Thermistor: Thermistor điện trở có độ nhạy nhiệt cao phi tuyến vả có hệ số nhiệt âm Điện trở giảm phi tuyến tăng nhiệt độ Thermistor điện trở nên dịng điện qua sinh nhiệt gây nên sai số lớn Do phải hạn chế dịng qua nhỏ c Điện trở dò nhiệt (RTDs): Cảm biến loại dựa vào đặc tính trở phụ thuộc nhiệt độ vật liệu Nó có hệ số nhiệt dương nhỏ, đo xác d IC cảm biến nhiệt độ bán dẫn: IC cảm biến bán dẫn kết hợp với mạch gia cơng bên Nhờ IC tạo tín hiệu điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, với độ nhạy nhiệt độ xác cao IC loại phổ biến thị trường Với IC thông dụng LM335 II Mạch phát khói ( dùng cảm biến quang hay cảm biến ion ): Mạch phát khói dùng phương pháp quang ( cảm biến quang): Loại sử dụng linh kiện thu phát quang Người ta sử dụng linh kiện phát quang ( LED hồng ngoại ) chiếu tia sáng qua vùng cần bảo vệ linh kiện thu quang ( Photodiode, Phototransistor, quang trở…) Khi có khói bay lên vùng cần bảo vệ che chắn hay làm yếu cường độ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu Khi cường độ ánh sáng thay đổi đến giá trị cảm biến nhận dạng phát tín hiệu báo động a Điện trở quang: Điện trở quang linh kiện bán dẫn thụ động khơng có lớp chuyển tiếp PN Vật liệu để chế tạo điện trở quang Cds (Cadmiun Sulfid) , CdSe (Cadmiun Selenid ), ZnS ( Zine Sulfid ) tinh thể khác Khi bị chiếu ánh sáng, độ dẫn điện ( điện dẫn suất ) vật liệu bán dẫn gia tăng hạt mang điện tích gia tăng thêm =e(nn + pp ) n p : mật độ electron lỗ trống n , p : độ di động electron lổ trống Với phương trình dẫn điện gia tăng nhờ hai cách: