thiết kế hệ thông chuông báo giảng đường

LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống hiện nay, bất cứ đâu ta cũng gặp sản phẩm của các hệ thống nhúng. Từ chiếc đồng hồ đeo tay đến đồng hổ treo tường, từ chiếc điện thoại bình dân đến chiếc điện thoại đắt tiền, từ các biển quảng cáo hay các tivi led màu Đó đều là những sản phẩm nhúng mà dường như chúng hiện hữu mà vô hình. Mọi người đều không nhận ra chúng và dường như chúng bị lãng quên. Với mục đích giới 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 chỗ thiếu sót. Mong các thầy cô và các bạn thông cảm và góp ý giúp chúng em phát triển 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 Đồ án tốt nghiệp 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 Trang 2 Đồ án tốt nghiệp 5.1 Sơ đồ nguyên lý toàn bộ mạch 30 5.2 Mạch PCB 31 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 Trang 3 Đồ án tốt nghiệp TÓM TẮT ĐỒ ÁN 1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chuôn báo giảng đường 2. Sinh viên thực hiện: Quân Thắng Thắng Thắng Lớp … Khóa … 3. Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Dũng 4. Mục tiêu: Về mặt kỹ thuật: Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống có khả năng hẹn giờ báo chuông giảng đường tự động mà không cần có sự can thiệp của con người khi vận hành. Đồng hồ thời gian thực đếm chính xác thời gian, đồng thời hiển thị thời gian đó và thời gian bật đèn lên màn hình LCD. Qua đó ứng dụng vào các hệ thống chuông 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 trợ trong 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 thương mại thì sản phẩm có thể được dùng để trở thành một mô đun nhỏ sử dụng trong những 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 các khâu trung gian trong hệ thống , đồng thời vận hành hệ thống dễ dàng, quản lý và bảo dưỡng hệ thống nhanh, thuận tiện. 5. Nội dung chính: Khảo sát các cách đóng ngắt chuông, đèn bằng mạch điện tử, cách thiết kế mạch, cách hiển thị lên màn hình text LCD… Trang 4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế kế chi tiết các khối, các mô đun phần cứng, lập trình phần mềm theo như 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 báo chuông giảng đường tự động, theo thời gian thực với tính năng hiệu quả và tính ứng dụng cao. Thiết kế được các khối chức năng, mô đun phần cứng và lập trình phần mềm mềm dẻo cho phép sử dụng tùy theo yêu cầu cụ thể của mục đích sử dụng. Hệ thống đáp ứng được những chỉ tiêu kỹ thuật cũng như đảm bảo tính khả thi để triển khai thực tế. Trang 5 Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Hiện tại Trường chúng ta có nhiều giảng đường, việc thông báo kết thúc tiết học 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 giảng đường 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 song nhiều 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 không được 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 trong quá trình thực hiện, chúng em đã gặp rất nhiều khó khăn. Nhưng chúng em cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô giáo. Sự hỗ trợ đó không chỉ là sự giúp đỡ về mặt kiến thức mà còn là sự củng cố về mặt kinh nghiệm thực tế và tinh thần. 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. Trang 6 Đồ án tốt nghiệp 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. Thường ngày việc vào ra các tiết học là khá nhiều nên việc bật tắt các thiết bị báo chuông là khá 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 tiết vào 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 thời gian 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 lang hoặc hệ thống đèn đường đóng ngắt theo thời gian định sẵn. Việc này giúp cho người 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 khiển đóng ngắt các thiết bị điện khác theo thời gian định sẵn giúp cho cả khả năng tối ưu hóa được các quá trình điều khiển. Trang 7 Đồ án tốt nghiệp 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 Trang 8 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) KHỐI ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC KHỐI ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC 220 VAC 12 VDC 220V AC 5V DC Đồ án tốt nghiệp thể đảm bảo được tính nhỏ gọn, tiện lợi, dễ sử dụng cũng như an toàn cho người dùng, giải pháp được đưa ra là sử dụng 1 adapter 5VDC – 500mA, để biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều 220V thành nguồn 1 chiều 5V. Do đặc thù mạch làm việc liên tục nhiều ngày, nhiều giờ, vấn đề công suất cũng như hao tổn năng lượng luôn được 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 1 chiều 5V ( nuôi các IC, MCU) + Giải pháp: với chức năng rất đơn giản, chỉ bật/tắt chuông thông qua tín hiệu điều khiển từ MCU ở tần số rất thấp thì lựa chọn Rơ-le để đóng cắt mạch là 1 giải pháp khá hợp lý. Giá thành rẻ(chưa đến 10.000VND), cách ly nguồn tốt(cách ly hoàn toàn giữa nguồn logic đóng cuộn dây, và nguồn chạy qua các tiếp điểm), kích thước 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 hệ thống. 2.2.4. Khối xử lý trung tâm: + Chức năng: nhận các lệnh điều khiển: phím bấm từ người sử dụng hay tín hiệu trả về từ khối đồng hồ thời gian thực RTC, từ đó đưa ra các tín hiệu cho khối chấp 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 có khối 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 hợp hơn là IC DS1307. Là 1 IC chuyên dụng cho các ứng dụng thời gian thực, DS1307 cho ta thấy khả năng làm việc chính xác và bền bỉ đáng ngạc nhiên. Sử dụng thạch anh ngoài với tần số làm việc 32,768kHz, DS1307 cho sai số cực nhỏ, cùng thời Trang 9 Đồ án tốt nghiệp gian làm việc 10 năm liên tục với pin ngoài 3V (đồng hồ sẽ vẫn chạy khi bị mất nguồn nuôi 5V). Thêm vào đó là khả năng ghi/đọc thời gian 1 cách nhanh chóng và tiện lợi qua chuẩn giao tiếp I2C. Trang 10 [...]... PCB lớp top Hình 5.4 PCB lớp bottom Trang 32 Đồ án tốt nghiệp KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế chúng em đã tạo ra được hệ thống có thể bật tắt báo chuông giảng đường tự động được như yêu cầu ban đầu đề ra với những kết quả cụ thể sau: Về mặt kỹ thuật: Xây dựng cấu hình hoàn chỉnh hệ thống có khả năng bật tắt chuông giảng đường sử dụng điện lưới có điện áp xoay chiều 220V tần số 50Hz... Clock: là đường giữ nhịp nối tiếp TWI (I2C) là chuần truyền thông nối tiếp đồng bộ, cần có 1 đường tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền/nhận, cứ mỗi xung trên đường giữ nhịp SCL, một bit dữ liệu trên đường SDA sẽ được lấy mẫu (sample) Dữ liệu nối tiếp trên đường SDA được lấy mẫu khi đường SCL ở mức cao trong một chu kỳ giữ nhịp, vì thế đường SDA không được đổi trạng thái khi SCL ở mức Trang 24 Đồ... chẳng hạn) thì khái niệm “multi-master” không tồn tại vì các chip nhớ được thiết kế sẵn là Slave, không có khả năng trở thành master TWI (I2C) được thực hiện trên 2 đường SDA (Serial DATA) và SCL (Serial Clock) trong đó SDA là đường truyền/nhận dữ liệu và SCL là đường xung nhịp Căn cứ theo chuẩn I2C, các đường SDA và SCL trên các thiết bị có cấu hình “cực góp mở” (open-drain hoặc open-collector, tham... khiển chuông sử dụng Rơ-le Khối chấp hành sử dụng 1 rơ-le loại 5 chân – 5Vdc để điều khiển bật tắt chuông báo Chuông được sử dụng là loại chuông 220VAC – 50Hz – 85dB Để đóng mở rơ-le dùng tín hiệu từ vi diều khiển, ở đây sử dụng thêm 1 Mosfet kênh N loại IRF630, nhằm cho nguồn 5V chạy qua cặp cực nam châm của Rơ-le Diode D44 để chống dòng ngược từ cuộn dây nam châm xông ngược vào mạch, D21 là Led báo. .. báo chuông, chỉnh sửa giờ, phút, giây trong ngày mong muốn bật chuông tự động • Cho phép người dùng xóa giờ đã hẹn trong ngày Tùy chọn cho phép người dùng bỏ chế độ hẹn giờ của chuông khi không muốn hẹn giờ nữa • Cho phép người dùng bật tắt chuông thủ công Tùy chọn này hỗ trợ người sử dụng khi mong muốn điều khiển đèn 1 cách thủ công mà không cần đợi đến giờ hẹn Từ đó có thể tăng tính mềm dẻo của hệ. .. mong muốn điều khiển đèn 1 cách thủ công mà không cần đợi đến giờ hẹn Từ đó có thể tăng tính mềm dẻo của hệ thống, vừa là hệ thống điều khiển bật tắt chuông, vừa là hệ thống hẹn giờ bật chuông Từ những tùy chọn đó của người sử dụng mà vi điều khiển Atmega32 có thể điều khiển báo chuông theo đúng mong muốn 4.2 Phân tích lựa chọn công cụ lập trình Atmega 32 có thể được lập trình bằng ngôn ngữ Assembly... với độ sai lệch cực nhỏ Trang 21 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 4 – PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM 4.1 Nhiệm vụ vi điều khiển ATmega 32 Vi điều khiển Atmega 32 sẽ xử lý các thông tin từ khối nhập dữ liệu và khối đồng hồ thời gian thực Từ các thông tin đó, Atmega32 sẽ đưa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp đóng/mở rơ-le Các chức năng của hệ thống: • Cho phép người dùng căn chỉnh lại thời gian của đồng hồ nếu... trên đường SCL • Slave: là chip có một địa chỉ cố định, được gọi bởi Master và phục vụ yêu cầu từ Master • SDA- Serial Data: là đường dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ hay dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một Chú ý là trong chuẩn I2C, bit có trọng số lớn nhất (MSB) được truyền trước nhất, đặc điểm này ngược lại với chuẩn UART • SCL –Serial Clock: là đường. .. Reduction dừng CPU và tất cả các thiết bị còn lại ngoại trừ đồng hồ đồng bộ và ADC, tối thiểu hoá switching noise trong khi ADC đang hoạt động  Chế độ standby, bộ tạo dao động (thạch anh/bộ cộng hưởng) chạy trong khi các thiết bị còn lại ngủ Các điều này cho phép bộ vi điều khiển khởi động rất nhanh trong chế độ tiêu thụ công suất thấp Thiết bị được sản xuất sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao... Condition-Điều kiện kết thúc: sau khi thực hiện truyền/nhận dữ liệu, nếu Master muốn kết thúc quá trình nó sẽ tạo ra một STOP condition STOP condition được Master thực hiện bằng cách kéo chân SDA lên cao khi đường SCL đang ở mức cao STOP condition chỉ được tạo ra sau khi địa chỉ hoặc dữ liệu đã được truyền/nhận • REPEAT START – Bắt đầu lặp lại: khoảng giữa START và STOP condition là khoảng bận của đường truyền, . 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. gian nghiên cứu, em đã xây dựng, thiết kế được hệ thống báo chuông giảng đường tự động, theo thời gian thực với tính năng hiệu quả và tính ứng dụng cao. Thiết kế được các khối chức năng, mô đun. án tốt nghiệp Thiết kế kế chi tiết các khối, các mô đun phần cứng, lập trình phần mềm theo như đề xuất thiết kế. Ghép nối hệ thống, chạy thử nghiệm và sửa lỗi toàn hệ thống. 6. Kết quả chính