Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà

Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 1 LỜI NÓI ĐẦU Khoa học công nghệ ngày một phát triển mạnh mẽ và không ngừng chinh phục những tầm cao mới. Những tiện ích mà nó mang lại cho con người là vô cùng thiết thực. Trong đó, hệ vi xử lý điều khiển toàn bộ hoạt động của dây chuyền sản xuất. Những sản phẩm công nghệ cao ngày càng xuất hiện nhiều hơn bên cạnh con người trong cuộc sống. Nhà thông minh là một khái niệm tuy đã xuất hiện ở Việt Nam khá lâu, song nó chỉ thực sự phát triển rầm rộ trong thời gian gần đây. Trong đó, công nghệ điều khiển từ xa không dây và tự động hóa đóng vai trò quan trọng. Chính vì lý do này, tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp cho mình là: “Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà.” Trong quá trình hoàn thành đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy Nhữ Khải Hoàn và các Thầy Cô trong bộ môn. Do khả năng có hạn nên trong quá trình thực hiện sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy Cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nguyễn Diệp Lê Nguyên Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 2 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Diệp Lê Nguyên Mã số sinh viên: 4913024035 Khóa 49, chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……… ĐIỂM: ……………. (Bằng chữ: …………… ) Nha Trang, ngày… tháng……năm 2011 Giáo viên hướng dẫn Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 3 Th.s Nhữ Khải Hoàn Nhận xét của giáo viên phản biện 1 Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Diệp Lê Nguyên Mã số sinh viên: 4913024035 Khóa 49, chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử Nhận xét của giáo viên phản biện 1: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……… ĐIỂM: ……………. (Bằng chữ: …………… ) Nha Trang, ngày… tháng……năm 2011 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 4 Giáo viên phản biện 1 Nhận xét của giáo viên phản biện 2 Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Diệp Lê Nguyên Mã số sinh viên: 4913024035 Khóa 49, chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử Nhận xét của giáo viên phản biện 2: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 5 ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……… ĐIỂM: ……………. (Bằng chữ: …………… ) Nha Trang, ngày… tháng……năm 2011 Giáo viên phản biện 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 6 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý do chọn đề tài Công nghệ điện tử đã dần dần có mặt ở khắp nơi trong đời sống hằng ngày của con người, nó giúp cho cuộc sống của chúng ta ngày càng trở nên tiện nghi và thuận lợi hơn. Những thiết bị được tự động hóa hoặc có thể điều khiển từ xa đem lại nhiều thuận tiện, tiết kiệm được nhiều công sức, thời gian, chi phí… Thiết bị chiếu sáng được sử dụng rất nhiều và tiêu hao một lượng rất lớn năng lượng, vậy sử dụng như thế nào để có thể tiết kiệm tối đa năng lượng và đem lại tiện ích tốt nhất cho con người. Việc thiết kế một mạch điện để tự động điều khiển thiết bị chiếu sáng theo điều kiện cụ thể để có thể tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, việc điều khiển thiết bị không dây từ xa có thể tiết kiệm được công sức, thời gian và chi phí thay vì phải đến tận nơi mới có thể bật tắt được thiết bị. Điều khiển từ xa không dây mang lại rất nhiều ứng dụng thực tế có ích, tiện lợi. Chính vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà.” 1.2 Kết quả cần đạt Đối với mạch điện tự động điều khiển đèn chiếu sáng cần được thiết kế nhỏ gọn, thực hiện đúng chức năng một cách ổn định, phù hợp với hầu hết các loại đèn chiếu sáng hiện có trên thị trường. Đối với mạch điện điều khiển từ xa được thiết kế thành các module tiện lợi: module remote phát, module thu tích hợp trên thiết bị, module thu giao tiếp máy tính, module thu điều khiển nhiều thiết bị. Riêng module remote phát được thiết kế với khả năng mở rộng cao:  Có thể nâng số lượng thiết bị được điều khiển lên nhiều lần  Tích hợp để mở rộng điều khiển được nhiều loại chương trình và thiết bị khác 1.3 Nội dung thực hiện Để thực hiện được đồ án này cần phải thực hiện một số nội dung sau:  Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: o Tìm hiểu về nguyên lý truyền tin không dây và các cảm biến hồng ngoại, ánh sáng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 7 o Tìm hiểu về hệ vi điều khiển và các linh kiện sử dụng trong đồ án.  Thiết kế sơ đồ khối chức năng tổng quát  Mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số để mạch đạt được độ chinh xác và ổn định  Thi công mạch thật, chạy thử và hiệu chỉnh sản phẩm: o Thi công đồ án, chạy thử và hiệu chỉnh các thông số để mạch đạt được độ ổn định tốt nhất.  Kết luận và hướng phát triển của đề tài: o Thiết kế và lập trình điều khiển các module, đặc biệt là remote phát với khả năng mở rộng cao. o Mở rộng ứng dụng cho mạch tự động điều khiển. 1.4 Phương pháp tiếp cận nghiên cứu Sử dụng kết hợp cả 3 phương pháp: lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, mạch điện và kinh nghiệm về các vấn đề liên quan đến đồ án. Tính toán và thiết kế sơ bộ từ đó thử nghiệm thực tế để xác định vấn đề cần giải quyết. Thảo luận với giáo viên hướng dẫn và những Thầy Cô có chuyên môn về vấn đề nghiên cứu trong đồ án để định hướng và có phương pháp thực hiện phù hợp. Tham khảo các nguồn tài liệu từ các đồ án của khóa trước, diễn đàn điện tử, sách báo liên quan đến đồ án. 1.5 Giải quyết vấn đề Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu, với đồ án này công việc chính của tôi là:  Đối với mạch tự động điều khiển thiết bị chiếu sáng: thiết kế mạch vi điều khiển để tiếp nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý thông tin nhận được và xuất lệnh điều khiển ra thiết bị theo đúng yêu cầu chức năng.  Đối với mạch điều khiển từ xa: tổ chức bộ xử lý trung tâm của các module, định nghĩa dữ liệu truyền, xây dựng giao diện giao tiếp với máy tính để thực hiện đúng chức năng với khả năng mở rộng cao. Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 3 CHƯƠNG II TÌM HIỂU VỀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 2.1 Tự động hóa 2.1.1 Cảm biến chuyển động PIR Hình [2.1] là đầu dò hồng ngoại Trên đây là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, một chân nối mass, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có thể từ 3 đến 15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, dùng kính Fresnel. Nguyên lý hoạt động: Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển. Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR Hình 2.1: Cảm biến chuyển động Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 4 Mạch: Phân tích sơ đồ mạch điện: Sơ đồ cho thấy, bộ đầu dò PIR có 3 chân theo thứ tự từ trái qua phải, chân 3 cho nối masse, chân 1 nối vào đường nguồn và chân 2 cho xuất ra tín hiệu, nguyên do phải phân cực cho đầu PIR là vì bên trong nó có dùng transistor FET. R2 (100K) là điện trở lấy tín hiệu. Tín hiệu này cho qua 2 tầng khuếch đại với IC1A và IC2B. Ở đây, người ta dùng mạch hồi tiếp nghịch với R4 (1M), R3 (10K) và tụ C2 (10uF) để định độ lợi cho tầng khuếch đại này (do 1M/10K = 100, nên độ lợi tầng này lấy khoảng 100), tụ C3 (0.1uF) có tác dụng ép dãy tần hẹp lại, chỉ cho làm việc ở vùng tần thấp bỏ vùng tần cao (vì tác nhân nhiệt có quán tính lớn, thường thay đổi rất chậm), tín hiệu lấy ra trên chân 1 cho qua điện trở giảm biên R5 (10K) và tụ liên lạc C4 (10uF) vào tầng khuếch đại sau trên chân số 6. Mạch dùng điện trở R6 (1M), diode D1, D2 và điện trở R7 (1M) tạo thành cầu chia áp, nó lấy áp phân cực cho chân 5 của tầng khuếch đại và tạo điện áp mẫu (Vref) cấp cho chân 9 (ngả vào đảo) và chân 12 (ngả vào không đảo) của 2 tầng so áp IC1C và IC1D. Điện trở R8 (1M) và tụ C5 (0.1uF) tạo tác Hình 2.3: Sơ đồ mạch của cảm biến PIR Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 5 dụng hồi tiếp nghịch, ổn định cho tầng khuếch đại IC1B. Tín hiệu cảm biến sau khi được khuếch đại cho ra trên chân 7, rồi cùng lúc đưa vào 2 tầng so áp trên chân 10 và chân 13. Đây là 2 tầng so áp có chu trình hồi sai, dùng tạo ra xung kích thích có độ dốc tốt, kích vào tầng đa hài đơn ổn trong ic CD4538, diode D3 và diode D4 có công dụng cách ly tránh ảnh hưởng qua lại của 2 đường ra trên chân 8 và chân 14. CD 4538 là ic logic có 2 tầng đơn ổn, nó định thời gian quá độ (thời gian trễ) theo thời hằng của điện trở R10 (1M) và tụ C6 (1uF) trên chân số 2. Xung làm chuyển trạng thái đưa vào trên chân 4, khi chuyển mạch mức áp cao cho xuất hiện trên chân số 6, nó sẽ kích dẫn transistor thúc Q1, và Q1 cấp dòng cho relay để đóng các tiếp điểm lá kim. Do dùng mạch đơn ổn, định thời theo thời hằng của R10 và tụ C6, nên chỉ sau một thời gian qui định, mạch sẽ tự trở lại trạng thái ổn định, Q1 sẽ tắt và relay sẽ bị cắt dòng và nhã tiếp điểm lá kim ra. Mạch có thể làm việc với mức nguồn nuôi từ 5 đến 12V. Tóm lại, khi có người đi ngang qua bộ đầu dò, nguồn thân nhiệt của người hay con vật sẽ tác kích vào đầu dò PIR, thì relay sẽ được cấp dòng để đóng các tiếp điểm lá kim. Hiện tại trên thị trường đã tích hợp phần mạch điển trên với cảm biến PIR với kích thước nhỏ gọn (vì sử dụng linh kiện dán) và cho kết quả đầu ra là mức 1 khi có đối tượng đi vào vùng quét của nó, và có thể chỉnh được thời gian tồn tại mức 1 đó trong khoảng từ 4 giây đến 18 phút. Nên ở đây, tôi sử dụng luôn sản phẩm này, điểm quan trọng là mình nhận tín hiệu mức 1 đó rồi thực hiện xử lý sao cho có kết quả như ý muốn. Hình ảnh mạch đã tích hợp: Hình 2.4: Hình ảnh thực của cảm biến PIR. Mặt trước và mặt sau [...]... Hoàn THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CHƯƠNG III 3.1 Tự động hóa 3.1.1 Nguyên lý tự động điều khiển đèn chiếu sáng 3.1.1.1 Yêu cầu của sản phẩm Sản phẩm chỉ hoạt động khi thỏa mãn cả 2 điều kiện sau:  Thiếu ánh sáng (do mạch cảm biến ánh sáng có sử dụng quang trở LDR đưa tín hiệu về bộ xử lý và điều khiển)  Có người chuyển động trong vùng quét của cảm biến PIR (do mạch cảm biến PIR đưa tín hiệu về bộ xử lý và điều. .. 3.1.1.2 Sơ đồ khối hoạt động Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng LDR Bộ xử lý và điều khiển Mạch cảm biến chuyển động sử dụng PIR Thiết bị Hình 3.1: Sơ đồ khối hoạt động của mạch tự động điều khiển đèn chiếu sáng SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 27 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn 3.1.1.3 Giải thuật điều khiển Khắc phục lỗi thứ nhất:  Chỉ nhận và xử lý tín hiệu từ mạch cảm biến ánh sáng đưa về khi đèn... dẫn điện của LDR phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó, khi ánh sáng chiếu vào càng mạnh thì điện trở của nó càng giảm và ngược lại, khi ánh sáng chiếu vào càng yếu thì điện trở càng tăng và khi trời tối thì điện trở gần như là vô cùng (hàng M  ) 2.1.3 Vi điều khiển 89C2051 Đây là họ vi điều khiển MCS51 với thiết kế chỉ có 20 chân cho những ứng dụng đơn giản IC 89C2051 chỉ có 2 port P1 và P3,... ta cách ly được điện áp giữa 1 bên là tín hiệu điều khiển, 1 bên là thiết bị điều khiển Do có sự chênh lệch về mức điện áp giữa vi điều khiển xuất ra và điện áp tín hiệu vào cho pt2262 nên ta phải sử dụng opto transistor để cách ly và chuyển mức điện áp Hình 2.15: photo transistor JC817 2.2.8 Vi điều khiển 89C52 Họ vi điều khiển MCS-51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các IC thiết kế cho các... hiệu từ mạch cảm biến ánh sáng đưa về nữa Khắc phục lỗi thứ hai:  Tạo trễ để giữ tín hiệu mức 1 đó duy trì trong thời gian “chết” của mạch cảm biến chuyển động  Đến khi mạch cảm biến chuyển động có thể hoạt động lại thì mạch tạo trể để duy trì đó không hoạt động nữa mà lúc này phụ thuộc vào tín hiệu mà mạch cảm biến chuyển động đưa về Lưu đồ giải thuật: Khởi động Kiểm tra Thiếu ánh sáng? Chuyển động? ... Tắt đèn chiếu sáng S Đ Bật đèn chiếu sáng Đ Kiểm tra Chuyển động? Đ Kiểm tra Chuyển động? S Tạo trễ để duy trì tín hiệu mức 1 Hình 3.2: Sơ đồ khối giải thuật của mạch tự động điều khiển đèn chiếu sáng SVTH: Nguyễn Diệp Lê Nguyên 28 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.s Nhữ Khải Hoàn 3.1.2 Thiết kế và thi công phần cứng 3.1.2.1 Nguồn Để mạch trở nên đơn giản và gọn nhẹ, ở đây tôi sử dụng hệ thống tụ và điện trở... thiết bị chiếu sáng một cách nhuần nhuyễn Do vậy mạch sẽ được đưa vào những ứng dụng cố định, không cần thay đổi thường xuyên Nhưng để có thể sử dụng được cho những ứng dụng cần thay đổi thường xuyên và dễ dàng thì ta sử dụng vi điều khiển để lập trình Sơ đồ mạch in: Hình 3.5: Mạch in mạch tự động điều khiển sử dụng linh kiện cơ bản 3.1.2.2.2 Loại sử dụng vi điều khiển 89c2051 Để mạch có thể hoạt động. .. thành dạng sóng tín hiệu tương tự có dải tần tùy chọn theo mục đích sử dụng ở đầu phát và ngược lại, biến đổi tín hiệu tương tự thu được thành tín hiệu số ở đầu thu Ở đây tôi chọn dải tần là 315MHz Thiết bị thực hiện chức năng này là bộ điều chế (gồm bộ xử lý trung tâm đưa dữ liệu số ra, bộ điều chế và phát sóng RF) và bộ giải điều VCC chế (bộ thu sóng RF, giải điều chế và L2 bộ xử lý tín hiệu thu được)... cho Q1 và phân áp cho thạch anh, R7 định thiên cho Q2  C1 là tụ pi (tụ lọc), C2 là tụ nối tầng Giải thích nguyên lý làm việc: Khi được R6 phân áp, theo tính chất áp điện, thạch anh Y1 sẽ sinh ra dao động Data số được đưa vào module điều chế qua đầu kết nối J1, Q2 hoạt động như một khóa đóng cắt cho mạch dao động dùng thạch anh (Q1) hoạt động Nếu đưa mức 1 vào thì Q1 dẫn và tại antenna có dao động, ... mạch sẽ bị “chết” trong vòng 2 đến 3 giây, nghĩa là trong thời gian này mạch sẽ không cảm biến được người chuyển động nên sẽ đưa tín hiệu sai về cho bộ xử lý và điều khiển Nếu xử lý không tốt đèn sẽ bị tắt trong khoảng thời gian “chết” này rồi sẽ bật lại nếu người vẫn tiếp tục chuyển động trong vùng quét đó Như vậy sẽ gây ra hiệu ứng không tốt Nên ở đây, ta cần thiết kế bộ xử lý và điều khiển sao cho khắc . tài Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà. ” 1.2 Kết quả cần đạt Đối với mạch điện tự động điều khiển đèn chiếu sáng. tài: Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Diệp Lê Nguyên Mã số sinh viên: 4913024035 Khóa. tài: Nghiên cứu và chế tạo mạch tự động hóa thiết bị chiếu sáng và điều khiển từ xa một số thiết bị điện trong nhà. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Diệp Lê Nguyên Mã số sinh viên: 4913024035 Khóa