thiết kế hệ thông chuông báo giảng đường

Về mặt thực tiễn: Có thể sử dụng sản phẩm để trở thành một thiết bị hỗ trợtrong các trường học khu công nghiệp giúp làm tăng tính tự động hóa trong xã hội và giúp việc quản quản lý dễ dà

Trong cuộc sống hiện nay, bất cứ đâu ta cũng gặp sản phẩm của các hệ thốngnhúng Từ chiếc đồng hồ đeo tay đến đồng hổ treo tường, từ chiếc điện thoại bìnhdân đến chiếc điện thoại đắt tiền, từ các biển quảng cáo hay các tivi led màu Đóđều là những sản phẩm nhúng mà dường như chúng hiện hữu mà vô hình Mọingười đều không nhận ra chúng và dường như chúng bị lãng quên Với mục đíchgiới thiệu 1 sản phẩm nhỏ của hệ thống nhúng Đó là hệ thống chuông báo giảng

đường Một hệ thống giúp làm đơn giản hóa cách báo giờ ra chơi cũng như vào lớp

của 1 trường học

Do kiến thức chưa sâu, nên hệ thống này chúng em phát triển còn có chỗthiếu sót Mong các thầy cô và các bạn thông cảm và góp ý giúp chúng em pháttriển hệ thống tốt hơn Chúng em chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Điện

Tử – Viễn Thông, ĐH Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là TS Nguyễn Hoàng Dũng đã

giúp đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện sản phẩm này

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 4

1 Tên đề tài: 4

2 Sinh viên thực hiện: 4

3 Giảng viên hướng dẫn: 4

4 Mục tiêu: 4

5 Nội dung chính: 4

6 Kết quả chính đạt được: 5

MỞ ĐẦU 6

Ý tưởng sơ lược về hệ thống báo chuông giảng đường 7

Xác định phạm vi ứng dụng và mục tiêu của đề tài 7

CHƯƠNG 2 – SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG 8

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 8

2.2 Chức năng các khối và lựa chọn giải pháp cho các khối chính 8

2.2.1 Khối nguồn 8

2.2.3 Khối chấp hành: 9

2.2.4 Khối xử lý trung tâm: 9

2.2.5 Khối đồng hồ thời gian thực RTC: 9

CHƯƠNG 3 – PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG: 11

3.1 Khối nguồn: 11

3.1.1 J2 11

3.1.2 J11 11

3.1.3 LM7805 11

3.2 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM 13

3.3 Khối chấp hành và hiển thị 19

3.4 Khối đồng hồ thời gian thực 20

CHƯƠNG 4 – PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM 22

4.1 Nhiệm vụ vi điều khiển ATmega 32 22

4.2 Phân tích lựa chọn công cụ lập trình 22

4.3 Giao diện TWI (Two-Wire Serial Interface)- I2C (Inter-Integrated Circuit) 23

4.4 IC DS1307 – Đồng hồ thời gian thực (Real Time Clock): 28

CHƯƠNG 5 – KẾT QUẢ 30

5.1 Sơ đồ nguyên lý toàn bộ mạch 30

5.2 Mạch PCB 31

KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

1 Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống chuôn báo giảng đường

2 Sinh viên thực hiện:

đó và thời gian bật đèn lên màn hình LCD Qua đó ứng dụng vào các hệ thốngchuông báo giờ học đến từng giảng đường hoặc trong các công ty, khu công nghiệp

Có khả năng ứng dụng nhiều trong cuộc sống trong cuộc sống

Về mặt thực tiễn: Có thể sử dụng sản phẩm để trở thành một thiết bị hỗ trợtrong các trường học khu công nghiệp giúp làm tăng tính tự động hóa trong xã hội

và giúp việc quản quản lý dễ dàng và hiệu quả hơn Trong công nghiệp và thươngmại thì sản phẩm có thể được dùng để trở thành một mô đun nhỏ sử dụng trongnhững hệ thống máy lớn hơn nhằm đáp ứng chức năng đóng ngắt tự động các thiết

bị, máy điện, hiển thị thông số thời gian ra ngoài Việc này giúp kiểm soát tốt cáckhâu trung gian trong hệ thống , đồng thời vận hành hệ thống dễ dàng, quản lý vàbảo dưỡng hệ thống nhanh, thuận tiện

5 Nội dung chính:

Khảo sát các cách đóng ngắt chuông, đèn bằng mạch điện tử, cách thiết kếmạch, cách hiển thị lên màn hình text LCD…

Thiết kế kế chi tiết các khối, các mô đun phần cứng, lập trình phần mềm theonhư đề xuất thiết kế.

Ghép nối hệ thống, chạy thử nghiệm và sửa lỗi toàn hệ thống

6 Kết quả chính đạt được:

Sau một thời gian nghiên cứu, em đã xây dựng, thiết kế được hệ thống báochuông giảng đường tự động, theo thời gian thực với tính năng hiệu quả và tính ứngdụng cao Thiết kế được các khối chức năng, mô đun phần cứng và lập trình phầnmềm mềm dẻo cho phép sử dụng tùy theo yêu cầu cụ thể của mục đích sử dụng Hệthống đáp ứng được những chỉ tiêu kỹ thuật cũng như đảm bảo tính khả thi để triểnkhai thực tế

MỞ ĐẦU

Hiện tại Trường chúng ta có nhiều giảng đường, việc thông báo kết thúc tiếthọc cùng lúc, đúng giờ sẽ rất nếu phải thực hiện thủ công thì sẽ trơ nên khó khăn,vậy nên việc nguyên cứu để chế tạo bộ điều khiển chuông tự động cho các giảngđường là việc cần thiết Nếu nguyên cứu thành công và được đưa vào sử dụng thì nó

sẽ có khả năng thông báo giờ chính xác mà không cần ngươi điều hiển

Việc điều khiển là khá đơn giản Nếu dùng tay thì chỉ cần mắc song songnhiều chuông và bật công tắc là xong nhưng để đảm bảo chính xác về mặt thời gian,sau thời gian học chuông được ngắt thì có thể việc con người điều khiển là khôngđược chính xác do một số nguyên nhân khách quan Từ đó, nhóm chúng em đã nảy

ra một ý tưởng xây dựng thiết bị báo chuông giảng đường tự động

Đây là đề tài còn khá mới lạ đối với sinh viên như chúng em, vì vậy trongquá trình thực hiện, chúng em đã gặp rất nhiều khó khăn Nhưng chúng em cũng đãnhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô giáo Sự hỗ trợ đó không chỉ là sựgiúp đỡ về mặt kiến thức mà còn là sự củng cố về mặt kinh nghiệm thực tế và tinhthần Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Điện Tử – Viễn

Thông, ĐH Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là TS Nguyễn Hoàng Dũng đã giúp đỡ

chúng em rất nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện sản phẩm này

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Ý tưởng sơ lược về hệ thống báo chuông giảng đường

Tiếng trống trường đã quen thuộc với những ai đã từng ngồi ghế nhà trường.Cuộc sống hiện đại đã dần thay thế tiếng trống bằng tiếng chuông điện Thườngngày việc vào ra các tiết học là khá nhiều nên việc bật tắt các thiết bị báo chuông làkhá lớn Chính vì thế có thể dẫn đền sai lệch hoặc nhầm lẫn cho người điều khiển.Chỉ cần một công tắc nối tiếp với một chuông điện và nối trực tiếp vào nguồn là ta

có thể báo tiết học như ta mong muốn Vì vậy, với nhu cầu báo vào tiết và hết tiếtvào đúng thời, mà không cần phải trực tiếp xem giờ và bật chuông, chúng em đã có

ý tưởng về một hệ thống điều khiển báo chuông giảng đường tự động, theo thờigian tiết học trong ngày

Hệ thống sẽ có bộ đếm thời gian, kết hợp với việc dùng vi điều khiển hoặc vi

xử lý để điểu khiển Sau đó qua rơ le để điều khiển đóng ngắt các bộ chuông

Xác định phạm vi ứng dụng và mục tiêu của đề tài

Đề tài có thể được ứng dụng dùng để điều khiển hệ thống đèn điện hành langhoặc hệ thống đèn đường đóng ngắt theo thời gian định sẵn Việc này giúp chongười vận hành hệ thống có thể dễ dàng quản lý

Hơn nữa, mở rộng hơn, hệ thống có thể trở thành một mô đun điều khiểnđóng ngắt các thiết bị điện khác theo thời gian định sẵn giúp cho cả khả năng tối ưuhóa được các quá trình điều khiển

CHƯƠNG 2 – SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG CÁC KHỐI TRONG HỆ

THỐNG

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

2.2 Chức năng các khối và lựa chọn giải pháp cho các khối chính

2.2.1 Khối nguồn

+ Chức năng: cung cấp điện áp làm việc cho các khối khác trong mạch Có 2

loại điện áp được sử dụng trong hệ thống điều khiển đèn hành lang tự động:

220VACvà 5VDC Trong đó, nguồn xoay chiều được chọn là nguồn điện dân dụng

220VAC – 50Hz, dùng cho chuông báo hoạt động Mạch sử dụng loại nguồn một

chiều 5V dùng để điều khiển Rơ-le bật tắt chuông và nuôi các mạch logic, bao gồm

cả khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển AVR 8-bit và khối đồng hồ thời

gian thực sử dụng IC DS1307

+ Giải pháp: nguồn xoay chiều được lựa chọn là mạng điện lưới trong nhà

220V rất tiện lợi Trong khi đó, để tạo ra được mức điện áp 1 chiều là 5V mà vẫn có

KHỐI NGUỒN AC: 220V DC: 5V, 12V

KHỐI NGUỒN AC: 220V DC: 5V, 12V

KHỐI CHẤP HÀNH (ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG)

KHỐI CHẤP HÀNH (ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG)

KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM (ATMEGA 32)

KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM (ATMEGA 32)

5V DC

thể đảm bảo được tính nhỏ gọn, tiện lợi, dễ sử dụng cũng như an toàn cho ngườidùng, giải pháp được đưa ra là sử dụng 1 adapter 5VDC – 500mA, để biến đổi trựctiếp nguồn xoay chiều 220V thành nguồn 1 chiều 5V Do đặc thù mạch làm việcliên tục nhiều ngày, nhiều giờ, vấn đề công suất cũng như hao tổn năng lượng luônđược đặt lên hàng đầu

2.2.3 Khối chấp hành:

+ Chức năng: thực hiện nhiệm vụ bật/tắt chuông báo, với yêu cầu phải cách

ly được nguồn xoay chiều 220V (dùng cung cấp cho chuông) với nguồn logic 1chiều 5V ( nuôi các IC, MCU)

+ Giải pháp: với chức năng rất đơn giản, chỉ bật/tắt chuông thông qua tínhiệu điều khiển từ MCU ở tần số rất thấp thì lựa chọn Rơ-le để đóng cắt mạch là 1giải pháp khá hợp lý Giá thành rẻ(chưa đến 10.000VND), cách ly nguồn tốt(cách lyhoàn toàn giữa nguồn logic đóng cuộn dây, và nguồn chạy qua các tiếp điểm), kíchthước nhỏ gọn, khả năng chịu dòng tốt, có thể làm việc ở môi trường nhiệt độ cao,

là rất nhiều những ưu điểm mà rơ-le có được, hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của hệthống

2.2.4 Khối xử lý trung tâm:

+ Chức năng: nhận các lệnh điều khiển: phím bấm từ người sử dụng hay tínhiệu trả về từ khối đồng hồ thời gian thực RTC, từ đó đưa ra các tín hiệu cho khốichấp hành, để bật/tắt chuông báo Ngoài ra còn có chức năng lưu trữ, hiển thị,

+ Giải pháp: Sử dụng vi điều khiển Atmega 32

2.2.5 Khối đồng hồ thời gian thực RTC:

+ Chức năng: tạo ra 1 chiếc đồng hồ điện tử chạy theo thời gian thực Nhờ cókhối đồng hồ mà người dùng có thể đặt chính xác thời gian vào tiết và ra chơi VD:7h sang vào tiết 1, 7h45 hết tiết 1,

+ Giải pháp: với chức năng là đồng hồ thời gian thực thì không gì phù hợphơn là IC DS1307 Là 1 IC chuyên dụng cho các ứng dụng thời gian thực, DS1307cho ta thấy khả năng làm việc chính xác và bền bỉ đáng ngạc nhiên Sử dụng thạchanh ngoài với tần số làm việc 32,768kHz, DS1307 cho sai số cực nhỏ, cùng thời

gian làm việc 10 năm liên tục với pin ngoài 3V (đồng hồ sẽ vẫn chạy khi bị mấtnguồn nuôi 5V) Thêm vào đó là khả năng ghi/đọc thời gian 1 cách nhanh chóng vàtiện lợi qua chuẩn giao tiếp I2C.

CHƯƠNG 3 – PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG:

3.1.3 LM7805

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng

IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn

áp thường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp.Ví dụ 7805 ổn áp5V, 7812 ổn áp 12V.Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây làminh họa cho IC ổn áp 7805

Sơ đồ phía dưới IC 7805 có 3 chân:

- Chân số 1 là chân IN

- Chân số 2 là chân GND

- Chân số 3 là chân OUT

Hình 3.2 IC7805

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.Mạch nàydùng để bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V (các loại IC thườnghoạt động ở điện áp này) Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao thìmạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ raOUT 5V không đổi

Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một máy biến áp với điện áp từ 7V đến 9V

để đưa vào ngõ IN Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân, người dùng dễnhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch, trong trường hợp nàyrất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trên board mạch Vì lí do đó một diode cầu đượclắp thêm vào mạch, diode cầu đảm bảo cực tính của nguồn cấp cho mạch theo mộtchiều duy nhất, và nguời dùng cũng không cần quan tâm đến cực tính của nguồn khinối vào ngõ IN nữa

Chú ý: điện áp đặt trước IC78xx phải lớn hơn điện áp cần ổn áp từ 1.5V đến

mà không sợ bị nhầm cực gây hư hại đến linh kiện trong mạch Chỉnh lưu cầu cóthể dùng 4 con diode hoặc sử dụng cầu diode có sẵn, cầu diode thì nhỏ gọn hơn

là sử dụng 4 diode thương Do công suất của mạch sử dụng ko lớn nên ta chỉ cần

cầu diode 2A là phù hợp Cũng như lấy nguồn bằng adapter 5V ta cũng sử dụngconector 2 chân để lấy điện áp đưa vào cầu diode để lấy điện áp DC Ta cần sửdụng các tụ phân cực để lọc điện áp vì khi sử dụng nguồn biến áp qua chỉnh lưuthì điện áp vẫn còn gợn sóng chưa được phẳng nên ta cần sử dụng tụ hóa có điện

áp hơn hơn 1,5 lần điện áp mắc vào nó Vì khi điện áp quá độ hay tăng đột ngộtcũng ko làm hỏng tụ Điện dung của tụ càng to thì khả năng ổn định và lọcphẳng điện áp càng cao nhưng lớn quá thì sẽ gây sụt điện khi mới cung cấpnguồn vì tụ cần được nạp đầy trong thời gian ấy trước khi tu hoạt động bìnhthường Như vậy ở tại đầu ra của cầu diode ta nên chọn loại tụ có trị số 35V –1000uF Loại tụ thứ 2 là tụ gốm để chống nhiễu ta sử dụng tụ 100nF thường đọc

là tụ 104 Phần chính của khối nguồn là IC nguồn Để lấy được điện áp 5V từđiện áp cao hơn 5V ta có thể sử dụng điện trở phân áp hoặc diode zenner nhưngcách này cho dòng điện ko cao và thường không ổn định Các khác dùng IC ổn

áp thì ta có thể dùng ổn áp xung như LM2575-5V, LM2576-5V hoặc 5V Các loại IC nguồn này cho dòng ra cao và điện áp ổn định nhưng do mạchđiện ko yêu cầu dòng cao (<1A) nên ta sử dụng IC LM7805 có ưu điểm rẻ, dễ sửdụng, mạch điện tương đối nhỏ gọn và dễ sử dụng IC LM7805 có nhược điểmtỏa nhiều nhiệt khi sử dụng với điện áp cao và cho ra dòng điện khá khiếm tốn(<1A) nhưng phù hợp với mạch ta sử dụng Cũng giống như đầu vào ta mắc tụgốm và tụ hóa để chống nhiễu vào lọc điện áp ra Để bảo vệ, trước khi đi vàomạch điện ta cho qua 1 cầu chì Cầu chì có giá trị 1A để mạch hoạt động an toàn

LM1117-và bảo vệ khi có sự cố

3.1.3 LED BÁO NGUỒN

Đèn led báo khi có nguồn Led có điện áp hoạt động là 2,2V với led đỏ nên

ta mắc nối tiếp qua 1 điện trở 330 Ohm

3.2 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM

Với việc xử lý rất nhiều dữ liệu, điều khiển bật tắt đèn theo thời gian thực,giao tiếp với DS1307 qua giao diện I2C thì chúng em đã lựa chọn được vi điềukhiển Atmega 32 cho đồ án này

Sau đây là một số đặc điểm của vi điều khiển Atmega 32:

 Atmega32 là 1 trong những dòng vi điều khiển 8-bit mạnh mẽ nhất hiện nay,thuộc họ AVR của hãng Atmel,có 40 chân trong đó có 32 chân I/O, 2 chân giaotiếp I2C (SCL và SDA),hỗ trợ sử dụng thạch anh ngoài lên đến 16MHz

 Nhân AVR kết hợp tập lệnh rút gọn với 32 thanh ghi đa năng Tất cả các thanhghi liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh ghiđộc lập được truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ Kết quả là tốc

độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường

 Dưới đây là hình vẽ sơ đồ chân của VĐK ATmega32:

Hình 3.3 :Sơ đồ chân Atmega32

 Atmega32 gồm có 4 port I/O: port A,port B,port C và port D

 Port A gồm 8 chân từ PA0 đến PA7:là cổng vào tương tự cho chuyển đổitương tự sang số.Nó cũng là cổng vào/ra hai hướng 8 bít trong trường hợp không

sử sụng làm cổng chuyển đổi tương tự,có điện trở nối lên nguồn dương bên

trong.Port A cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vao/ra theo kiểu hợp kênh khi dùng

bộ nhớ bên ngoài

 Port B gồm 8 chân từ PB0 đến PB7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bít, có điện trởkéo lên bên trong.Port B cung cấp các chức năng ứng với các tính năng đặc biệtcủa Atmega32

 Port C gồm các chân từ PC0 đến PC7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bit,có điệntrở nối lên nguồn dương bên trong Port C cung cấp các địa chỉ lối ra khi sử dụng

bộ nhớ bên ngoài và đồng thời cung cấp ứng với các tính năng đặc biệt củaAtmega32

 Port D gồm các chân từ PD0 đến PD7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bít,có điệntrở nối lên nguồn dương bên trong Port D cung cấp các chức năng ứng với cáctính năng đặc biệt của Atmega32

 Chân nguồn Vcc (chân số 10 và chân số 30):điện áp nguồn nuôi của Atmega32

từ 4.5v đến 5.5v

 Chân Reset (chân số 9): reset trạng thái chip

 Chân GND (chân số 11 và chân 31):chân nối đất

 Chân XTAL1,XTAL2 là hai chân nối thạch anh ngoài (chân số 12 vàchân số 13): Atmega32 hỗ trợ sử dụng thạch anh ngoài lên tới16MHz(trong đồ án chúng em sử dụng thạch anh 8MHz)

 Chân ICP(chân số 20):là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu cho bộđịnh thời/đếm 1

 Chân OC1B(chân số 18):là chân ra cho chức năng so sánh lối ra bộđịnh thời/đếm 1

 Chân INT1(chân số 17):chân ngõ vào ngắt

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc bên trong của Atmega32.

ATmega32 có các đặc tính sau:

trình được

 ATmega32 có các chế độ tiết kiệm năng lượng như sau:

USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D, SRAM, bộ đếm bộ định thời, cổngSPI và hệ thống các ngắt vẫn hoạt động

lạnh bộ tạo dao động, thoát khỏi các chức năng của chip cho đến khi có ngắtngoài hoặc là reset phần cứng

sử dụng giữ được đồng bộ thời gian nhưng các thiết bị còn lại là ngủ