Đồ án môn học thiết kế mạch đếm số lượng người ra vào cửa phòng

Trong đó sự tích hợp các mạch điện – điện tử ngày càng trở nên thiết yếu khi mà công nghệ ngày càng phát triển hơn tiến tới thời đại của vi xứ lý vi mạch những mạch cồng kềnh chiếm nhiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ LƯỢNG NGƯỜI RA VÀO CỬA PHÒNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Ngành: CNKT Điện tử viễn thông

VĨNH PHÚC – 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ LƯỢNG NGƯỜI RA VÀO CỬA PHÒNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Ngành: CNKT Điện tử viễn thông

Cán bộ hướng dẫn : Trần Thị Phương Thanh

Sinh viên thực hiện : Trần Thị Ngát

Lớp : 69DCDT11

VĨNH PHÚC - 2020 MỤC LỤC Danh mục hình ảnh

Lời nói đầu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1 Giới thiệu đề tài 1

2 Xây dựng sơ đồ khối của toàn mạch 1

3 Nguyên tắc hoặt động của các khối 1

3.1 Khối nguồn 1

3.1.1 Khối hạ áp 1

3.1.2 Khối chỉnh lưu 1

3.1.3 Khối lọc 2

3.1.4 Khối ổn áp 2

3.2 Khối LED thu - phát hồng ngoại 3

3.2.1 Nguyên tắc phát 3

3.2.2 Nguyên tắc thu 4

3.3 Khối nút bấm 5

3.4 Khối hiển thị - LED 7 thanh 5

3.5 Khối Vi xử lý 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ LƯỢNG NGƯỜI RA VÀO CỬA PHÒNG 9

1 Sơ đồ nguyên lý của mỗi khối và tính toán chọn lọc linh kiện 9

1.1 Khối nguồn 9

1.2 Khối LED thu - phát hồng ngoại 10

1.3 Khối đếm hiển thị LED 7 thanh 11

1.4 Khối Vi xử lý 12

1.5.Khối nút bấm 13

2 Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của toàn mạch 13

2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch và mạch in 13

2.2 Nguyên tắc hoạt động của mạch 15

2.3.Lưu đồ giải thuật của hệ thống 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

PHỤ LỤC 18

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Sơ đồ khối của toàn mạch 1

Hình 2: Điện áp sau chỉnh lưu 2

Hình 3: Điện áp sau khi được lọc bằng tụ điện 3

Hình 4: Sơ đồ khối phát 4

Hình 5: Sơ đồ khối thu 5

Hình 6: Khối điều chỉnh giá trị LED 6

Hình 7: Cấu tạo LED 7 thanh 6

Hình 8: Led 7 thanh hiển thị từ 0 đến 9 7

Hình 9: Cấu trúc chức năng của PIC 16F877A 7

Hình 10: Sơ đồ chân PIC 16F877A 8

Hình 11: PIC 16F877A 7

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn 10

Hình 13: Diode 1N4007 10

Hình 14: IC ổn áp LM7805 11

Hình 15: Bộ thu phát hồng ngoại 12

Hình 16: LED 7 thanh 13

Hình 17: Thạch anh 20M 13

Hình 18: Điện trở 10k 14

Hình 19: Nút bấm 14

Hình 20: Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 15

Hình 21: Mạch in PCB 2B 16

Hình 22: Mạch in PCB 3B 16

Hình 23: Lưu đồ thuật toán 17

LỜI NÓI ĐẦU

Cuộc sống quanh ta ngày càng phát triển Các ứng dụng của khoa học – kỹ thuật ngày càng được áp dụng nhiều hơn vào thực tiễn nhằm phục vụ nhu cầu cuộc sống

Đa số các ứng dụng công nghệ đều liên quan đến lĩnh vực điện tử và tự động hóa Điều đó cho thấy sự phát triển của lĩnh vực điện tử và tự động hóa là không giới hạn

Do đó, việc nghiên cứu các ứng dụng vào thực tiễn là hết sức đúng đắn và cấp thiếttrong thời gian gần đây.

Nhận thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của mạch đếm số lượt người ra vào cửa

Em đã nghiên cứu và thiết kế dưới sự hướng dẫn của cô: Trần Thị Phương Thanh,

giảng viên khoa điện–điện tử Vì kiến thức, kinh nghiệm của em còn hạn chế nên đồ

án không tránh được sai sót Chúng em rất mong sự đánh giá của quý thầy cô và bạn

bè, để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

KHỐI HIỂN THỊ LED KHỐI VI XỬ LÝ

KHỐI NGUỒN

KHỐI NÚT NHẤN LED THU PHÁT

HỒNG NGOẠI

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Giới thiệu về đề tài

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của conngười đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, mang lại sự tiện lợi tối ưu với nhữngtrang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Gópphần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sựnghiệp xây dựng và phát triển đất nước Trong đó sự tích hợp các mạch điện – điện tửngày càng trở nên thiết yếu khi mà công nghệ ngày càng phát triển hơn tiến tới thờiđại của vi xứ lý vi mạch những mạch cồng kềnh chiếm nhiều diện tích đã bị loại bỏdần thay vào dó là các mạc siêu nhỏ gọn gàng hơn đang đươc ưa chuộng

Trong đó có ngành “Kĩ thuật số” có vai trò rất quan trọng và việc áp dụng điềukhiển bằng số trong công nghệ hiện đại Kĩ thuật số ra đời đã và đang làm nên mộtcuộc cách mạng trong mọi lĩnh vực của đời sống hiện đại từ chiếc nồi cơm điện, máygiặt, máy điện thoại… đến truyền hình, chụp ảnh, công nghệ thông tin,… Những ứngdụng của nó trong sản xuất của các công ty lớn nhỏ là không thể kể hết

Đối với các nơi có nhiều dịch vụ tiện ích cho con người như các siêu thị, cửa phòng, cổng trường cần quản lý số lượng người ra vào để biết được tình hình Vậy nên em quyết định thiết kế một mạch đếm người vì nó rất phù hợp với thực tế và nó thật sự rất có ý nghĩa đối với em vì đã làm được một phần nhỏ đóng góp cho xã hội

2 Xây dựng sơ đồ khối của toàn mạch

Hình 1 : Sơ đồ khối của toàn mạch

3 Nguyên tắc hoạt động của các khối

3.1 Khối nguồn

Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch ở đây ta dùng nguồn một chiều một vài trăm

ôm để tránh cháy đèn led hoặc ta cung cấp nguồn 3,5V thì ta đưa điện áp trực tiếp vàoled Nguồn ta dùng ở đây ta cần độ ổn định cao để mạch đếm chạy một cách chínhxác, nếu ta dùng nguồn không ổn định ví dụ như pin thì hoạt động bị gián đoạn

Bộ 5V và 3V- 4.5V cho súng laser, khi ta đưa vào led 7 thanh ta phải đưa quađiện trở nhỏ khoảng 1 kΩ

Mạch yêu cầu dùng dòng 1 chiều, điện áp 5V nên khối nguồn này ta dùng máy biến áp, cầu chỉnh lưu, và IC7805 có tác dụng ổn định điện áp ra 5V

3.1.1 Khối hạ áp

Ở đây chúng ta biến đổi điện áp lưới 220VAC-50Hz xuống còn 24VAC - 3A

Mục đích là cấp đầy vào cho bộ biến đổi và bộ lọc để có điện áp một chiều

mong muốn

3.1.2 Khối chỉnh lưu

Thành phần chỉnh lưu là biến đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu 1 chiều thông qua 4 con diode chỉnh lưu Đây là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với dạng sóng đầu vào và đầu ra sau chỉnh lưu như sau:

Hình 2 : Điện áp sau chỉnh lưu.

Dạng điện áp sau chỉnh lưu nó vẫn còn các sóng vẫn cao và dạng điện áp này vẫn được coi là điện áp 1 chiều nhưng chưa ổn định.

- Dòng họ 78xx cho ra nhiều loại ổn áp điện khác nhau: như 7805 ổn áp 5V

- Điện áp đầu vào của họ 78xx là điện áp 1 chiều và max <=40V

- Dòng điện không vượt quá 1A

- Dòng đỉnh là 2,2 A

- Công suất tiêu tán cực đại có tản nhiệt là 15W

- Đảm bảo thông số là : V I −V O = 2V đến 3V ( lúc đó mạch mới hoạt động ổn ápđược)

- Tản nhiệt tốt cho 78xx Khi hoạt động với tải thì 78xx rất nóng Đối với cấpđiện áp là 29V thì 78xx nóng khi có tải và chú ý tản nhiệt tốt cho nó Để nóngquá sinh ra phá 78xx

3.2 Khối Led thu – phát hồng ngoại

số thập phân Mạch mã hóa sẽ chuyển đổi thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng

mã lệnh tín hiệu số gồm các bít 0 và 1 Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là 4bit hay 8 bit … tùy theo số lượng các phím chức năng nhiều hay ít

- Khối dao động có điều kiện: Khi nhấn 1 phím chức năng thì dồng thời khởiđộng mạch dao động tạo xung đồng hồ , tần số xung đồng hồ xác định thời gianchuẩn của mỗi bit

- Khối chốt dữ liệu và khối chuyển đổi song song ra nối tiếp: Mã nhị phân tạimạch mã hóa sẽ được chốt để đưa vào mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nốitiếp Mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp được điều khiển bởi xung đồng

hồ và mạch định thời nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúc việc chuyển đổi đủ số bitcủa một mã lệnh

- Khối điều chế và phát FM : mã lệnh dưới dạng nối tiếp sẽ được đưa qua mạchđiều chế và phát FM để ghép mã lệnh vào sóng mang có tần số 38Khz đến 100Khz,nhờ sóng mang cao tần tín hiệu được truyền đi xa hơn , nghĩa là tăng cự ly phát

- Khối thiết bị phát : là một LED hồng ngoại Khi mã lệnh có giá trị bit =’1’ thìLED phát hồng ngoại trong khoảng thời gian T của bit đó Khi mã lệnh có giá trịbit=’0’ thì LED không sáng Do đó bên thu không nhận được tín hiệu xem như bit

= ‘0’

3.2.2 Nguyên tắc thu

Sơ đồ khối:

Hình 5 : Sơ đồ khối thu

- Khối thiết bị thu : Tia hồng ngoại từ phần phát được tiếp nhận bởi LED thuhồng ngoại hay các linh kiện quang khác

- Khối khuếch đại và Tách sóng : trước tiên khuếch đại tính hiệu nhận rồi đưaqua mạch tách sóng nhằm triệt tiêu sóng mang và tách lấy dữ liệu cần thiết là mãlệnh

- Khối chuyển đổi nối tiếp sang song song và Khối giải mã : mã lệnh được đưavào mạch chuyển đổi nối tiếp sang song song và đưa tiếp qua khối giải mã ra thành

số thập phân tương ứng dưới dạng một xung kích tại ngõ ra tương ứng để kích mởmạch điều khiển

- Tần số sóng mang còn được dùng để so pha với tần số dao động bên phần thu giúp cho mạch thu phát hoạt động đồng bộ, đảm bảo cho mạch tách sóng vàmạch chuyển đổi nối tiếp sang song song hoạt động chính x

Hình 6 : Khối điều chỉnh giá trị LED

Sử dụng các nút nhấn một tiếp điểm để tạo mức thay đổi logic giúp vi điềukhiển có thể hiểu đươc khi ta tác động nhấn nút Các điện trở là các điện trở kéo lên

để xác định mức cao khi không nhấn nút Các nút nhấn khi được nhấn sẽ kéo dẫn điệnxuống mức 0

3.4 Khối hiển thị LED 7 thanh

Đèn chỉ thị 7 đoạn gồm 7 diode phát quang (LED: Light Emission Diode) hay

7 chỉ thị tinh thể lỏng (LCD: Liquid Crystal Display).Mỗi bit được thể hiện bằng mộtđoạn ánh sáng a, hoặc b, hoặc c đến g

Có hai loại chỉ thị 7 đoạn: Anot chung và Katot chung Nhờ 7 đoạn sáng này ta

có được 10 số thập phân từ 0 đến 9

Hình 7 : Cấu tạo LED 7 thanh

Tùy vào chữ số thập phân nào được hiển thị mà một bộ đèn led cụ thể sẽ được phân cực thuận Ví dụ để hiển thị chữ số 0, cần phải chiếu sáng 6 đoạn tương ứng là

a, b, c, d, e và f Như vậy các số từ 0 đến 9 có thể hiển thị bằng 1 led 7 đoạn như hình dưới đây:

Hình 8 : Led7 thanh hiển thị từ 0 đến 9

3.5 Khối Vi xử lý

PIC 16F877A 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tínhnăng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường) Cấu trúc tổng quátcủa PIC16F877A như sau:

Hình 9: Cấu trúc chức năng của PIC 16F877A

8 K Flash ROM

• 368 Bytes RAM

• 256 Bytes EEPROM

• 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

• 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer2)

• Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng

lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài.

• 2 bô CCP (Capture / Compare/PWM)

• 1 bộ biến đổi ADC 10 bits, 8kênh

• 2 bộ so s1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

• Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

• Một cổng nối tiếp

• 15 nguồn ngắt

• Có chế độ tiết kiệm năng lượng

• Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming)

• Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

- Chân 1: ngõ vào reset tích cực ở mức thấp và ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lậptrình cho PIC.

- Chân 3: xuất/nhập số và ngõ vào tương tự của kênh

- Chân 4: xuất nhập/ngõ vào tương tự của kênh, điện áp chuẩn thấp và cao của bộ AD

- Chân 5: xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh, điện áp chuẩn (cao) của bộ AD

- Chân 6: xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0, ngõ ra bộ so sánh

- Chân 7: xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ

so sánh 2

- Chân 33: xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài

- Chân 36: xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP

- Chân 35, 37, 38: xuất nhập số

- Chân 39: xuất nhấp số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP

- Chân 40: xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP

- Chân 15: xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer1/ ngõ vào xung clock bên ngoàiTimer 1

- Chân 16: xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ vào Capture2, ngõ racompare2, ngõ ra PWM2

- Chân 17: xuất nhập số/ ngõ vào Capture1 ,ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1

- Chân 18: xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI/ ngõvào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C

- Chân 23: xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu I2C

- Chân 24: xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI

- Chân 25: xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ USART

- Chân 26: xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART

- Chân 19-30: xuất nhập số/ dữ liệu port song song

- Chân 8 : xuất nhập số/điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự 5

- Chân 9: xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 6

- Chân 10: xuất nhấp số/ Chân chọn lụa điều khiển port song song/ ngõ vào tương tựkênh thứ 7

- Chân VDD(11,32) và VSS(12,31): là các chân nguồn của PIC

Chương 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ LƯỢNG NGƯỜI

RA VÀO CỬA PHÒNG

1 Sơ đồ nguyên lý của mỗi khối và tính toán chọn lọc linh kiện

1.1 Khối nguồn

C4 100nF

C5 220uF C6

1000uF C7

100nF 1

4 TR1

TRAN-2P5S

D4

1N4007 D5

- Tụ lọc:

Dùng tụ hóa lớn tích điện, tụ sẽ nạp khi xung áp chỉnh lưu đi lên và xả cho tảikhi xung áp đi xuống Ngoài ra, dùng tụ hóa lớn sẽ làm giảm độn gợn sóng củanguồn, nâng cao mức nguồn DC lên gần bằng mức volt cực đại của tín hiệu sin

Tụ C6, C7 trong hình 12 có tác dụng lọc nguồn cấp vào để tăng tính ổn địnhcho nguồn và cho mạch IC 7805 (U5) làm nhiệm vụ ổn áp cho ra nguồn điện ổn định5V với dòng tối đa là 1A Nguồn 5V này sẽ được lọc lại một lần nữa bằng tụ C5, C4

và được cấp cho toàn bộ mạch hoạt động

- IC ổn áp:

Hình 14 : IC ổn áp LM7805

Có hai loại linh kiện ổn áp học 78xx và 79xx:

• Họ 78xx là ổn địng điện áp đầu ra là dương, xx là giá trị điện áp đầu ra ví dụnhư 5V, 8V…

• Họ 79xx là họ ổn định điện áp đầu ra là âm, xx là giá trị điện áp đầu ra

Đồ án cần điện áp 5V nên ta sử dụng IC 7805

1.2 Khối Led thu – phát hồng ngoại

1.3 Khối hiển thị LED 7 thanh

Led 7 thanh là linh kiện điện tử dùng để hiển thị số Ưu điểm của led 7 thanh làgiá thành rẻ, khoảng cách quan sát xa và dễ dàng trong lập trình Nhược điểm là led 7thanh chỉ hiển thị được 1 số kí tự nhất định

Led 7 thanh bao gồm 7 thanh a,b,c,d,e,f,g và 1 “thanh” dp, mỗi thanh là mộtled Tùy vào cách nối chung anot hay catot giữa các thanh mà ta có 2 loại anot chunghoặc catot chung

Hình 16 : LED 7 thanh

1.4 Khối vi xử lý

Khối vi xử lý có chức năng điều khiển hoạt động của thiết bị Bao gồm vi điềukhiển PIC 16F877A, các nút bấm, khối dao động thạch anh, LED 7 thanh… Vi điềukhiển đọc trạng thái từ cảm biến để LED 7 thanh hiển thị số Nút bấm có chức năngđưa LED 7 thanh về trạng thái ban đầu Khối dao động thạch anh có chức năng tạocác xung nhịp để mạch hoạt động

Ngoài ra, với thạch anh giao động 20M để tạo xung nhịp cho PIC, để tốc độ xử

lý lệnh càng nhanh thì ta dùng thạch anh càng lớn Tuy nhiên thạch anh không lớn quágiới hạn của chip được sản xuất Ở đây ta dùng PIC16F877A thì theo datasheet từ nhàsản xuất thạch anh không được lớn hơn 20M, nếu dùng thạch anh lớn hơn chip sẽkhông hoạt động Ngược lại nếu dùng thạch anh quá nhỏ thì tốc độ xử lý lệnh củachip sẽ rất thấp và chậm Với thạch anh 20M thì chu lỳ xung nhịp là 0,2μs thì có thểthực hiện một lệnh (ASM) trong vòng 0,2μs

Hình 17: Thạch anh 20M

1.5 Khối nút bấm

Nút bấm BT1 là nút bấm reset chip, tụ C3 0,1μF làm tụ reset tự động cho vi xử

lý khi mới cấp nguồn R1 10k là điện trở kéo cho chân reset

Nút bấm BT2, BT3, BT4 khi được nhấn sẽ kéo dẫn điện áp xuống mức 0, cácđiện trở R21, R17, R16 là các điện trở kéo lên để xác định mức cao khi không nhấnnút

Hình 20: Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch

có vật đi qua tia hồng ngoại từ LED phát đến LED thu.

2.3 Lưu đồ thuật toán của hệ thống

BẮT ĐẦU

ĐỌC GIÁ TRỊ SÔ ĐẾM LƯU TRONG EEPROM

KHỞI TẠO ADC CHO PIC

GIÁ TRỊ<30 Đ

S

XUẤT GIÁ TRỊ ĐẾM RA LED 7 DOAN

TẠO THỜI GIAN TRỄ ĐỂ CHUYỂN ĐỔI ADC HOÀN

NHẤN GIẢM

SỐ ĐẾM Đ

S

CHỜ NÚT NHẢ GIẢM SỐ ĐẾM GIỚI HẠN ĐẾN 00 LƯU GIÁ TRỊ VÀO LẠI EEPROM

Hình 23: Lưu đồ thuật toán

TÀI LIỆU THAM KHẢO