Thiết kế hệ thống điều khiển đèn thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔN HỌC HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm sinh viên : Nguyễn Thị Hòa Nguyễn Văn Hợp Tống Quang Long Lớp : K43DDK . Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Huy Thái Nguyên – 2011 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 1 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét của giáo viên chấm Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 3 CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 4 1.1. Khảo sát và phân tích bài toán 4 1.2. Lựa chọn giải pháp 6 1.2.1 Giải pháp công nghệ 6 1.2.2 Giải pháp thiết kế 7 1.2.3 Các yêu cầu 7 1.2.4 Giới hạn hạn định 7 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 8 2.1. Sơ đồ tổng quát 8 2.2. Sơ đồ Callgraph 9 2.3. Sơ đồ đặc tả 9 2.4. Các module trong hệ thống 10 2.4.1. Module khối nguồn 10 2.4.2. Module cảm biến 10 2.4.3. Module điều khiển trung tâm 11 2.4.4. Module tương tác điều khiển (hiển thị) 12 2.4.5. Module chấp hành 13 2.5. Lựa chọn linh kiện. 14 2.5.1. Vi điều khiển PIC16F877A 14 2.5.2. Led hồng ngoại 21 2.5.3. Led 7 đoạn 23 2.5.4. Transistor 24 2.5.5. Tụ điện 25 2.5.6. Rơle 25 2.5.7. IC ổn áp 26 2.6. Sơ đồ nguyên lý của mạch. 27 2.7. Thuật toán điều khiển 27 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 31 3.1 Thiết kế phần cứng 31 3.2 Thiết kế phần mềm 31 3.3. Kết quả mô phỏng 34 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, thiết kế một biển quảng cáo dùng Led ma trận, một đồng hồ thời gian thực….đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điều khiển robot, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Các hệ thống tự động trước đây sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử lý và mức độ tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảng của các hệ thống nhúng. Với mong muốn giới thiệu ứng dụng cơ bản của hệ thống nhúng trong đời sống hiện đại, nhóm chúng em đưa ra mô hình thiết kế hệ thống điều khiển đèn thông minh dùng cho các phòng họp. Trong quá trình thực hiện đồ án môn học, nhóm chúng em cố gắng thiết kế sao cho mô hình là đơn giản nhất, ổn định nhất; tuy nhiên do vấn đề thời gian và kinh nghiệm nên mô hình vẫn còn gặp phải những vấn đề chưa thể khắc phục được. Trân trọng và chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài: Nguyễn Thị Hòa Nguyễn Văn Hợp Tống Quang Long ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 4 CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 1.1. Khảo sát và phân tích bài toán Hiện nay hầu hết việc giám sát và điều khiển chiếu sáng trong các phòng công cộng được điều khiển bằng tay thông qua đóng mở các công tắc, các aptomat, cầu dao Điều này khá thuận lợi và đơn giản vì ta có thể bật tắt đèn theo nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, do là phòng công cộng nên việc bật tắt đèn hầu như do người trực khu nhà đó làm. Vì thế họ không biết được chính xác khi nào thì có người tới và khi nào thì mọi người đã ra hết khỏi phòng hoặc họ biết nhưng vì phải quản lý nhiều phòng nên họ vẫn cứ để điện đến hết ca trực, điều này gây lãng phí điện rất lớn, đặc biệt trong hoàn cảnh nước ta đang thiếu điện một cách trầm trọng như hiện nay. Trên thị trường hiện nay đã có một số thiết bị bật tắt đèn thông minh, như SmartLight do Hàn Quốc sản xuất: Được tích hợp sensor cảm ứng hồng ngoại thân nhiệt, đèn sẽ tự động được bật khi có người đi vào vùng cảm ứng và tắt khi không có người. Hình 1.1: Đèn thông minh Smartlight SmartLight phù hợp với mọi nhu cầu chiếu sáng thông minh của bạn tại sân cổng, phòng khách, phòng ngủ, phòng vệ sinh, cầu thang, văn phòng giúp bạn bật tắt đèn hoàn toàn tự động, mang lại sự an toàn, tiện nghi và tiết kiệm điện ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 5 Tuy nhiên thiết bị này tích hợp luôn bộ điều khiển với đèn trong 1 sản phẩm. Do đó giá thành cao và không thích hợp cho các phòng cần lượng chiếu sáng lớn, không thay đổi được loại bóng đèn theo yêu cầu. Hệ thống giám sát điều khiển chiếu sáng sử dụng camera kết nối với máy tính để kiểm soát số người trong phòng, qua đó phát lệnh đóng mở các công tắc tơ bật tắt bóng đèn. Hình 1.2: Hệ thống camera giám sát Hệ thống này giúp việc bật tắt đèn ở nơi lắp đặt một cách chính xác, tự động hoặc bán tự động. Tuy nhiên do sử dụng máy tính nên giá thành của hệ thống rất cao, mặt khác không giải quyết được vấn đề tiết kiệm điện. Vì thế nó thường chỉ được sử dụng ở những tòa nhà công nghệ cao, những khu vực cần điều chỉnh chiếu sáng không phải vì mục đích tiết kiệm điện năng. Hệ thống bật tắt đèn tự động sử dụng các IC số và mạch Logic cho phép ta dựa vào lượng người vào ra để đóng ngắt các công tắc một cách tự động. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 6 Hình 1.3: Hệ thống bật tắt đèn thông minh dùng IC số Hệ thống này có cấu tạo đơn giản, rẻ, không phải lập trình mà chỉ dựa vào các mạch Logic… nhưng tính linh động không cao, khó chỉnh định khi điều kiện làm việc thay đổi, ít có khả năng nâng cấp mở rộng hệ thống. Với những phòng họp công cộng, khi mà lưu lượng người không lớn và có thể kiểm soát được việc đếm người qua cửa thì ta hoàn toàn có thể áp dụng hệ thống đèn thông minh sử dụng Vi điều khiển được lập trình để bật đèn khi có người và tắt khi không có người. Điều này vừa tiện lợi cho mọi người: ứng dụng công nghệ tự động hóa vào cuộc sống con người, đảm bảo đủ ánh sáng trong quá trình làm việc, người quản lý thì đỡ tốn thời gian… đồng thời góp phần giải quyết vấn đề tiết kiệm điện năng trong thời kỳ mà nhu cầu điện tiêu thụ đã vượt quá khả năng cung cấp của các nhà máy điện hiện nay. 1.2. Lựa chọn giải pháp 1.2.1 Giải pháp công nghệ Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải pháp xây dựng hệ thống điều khiển đèn thông minh cho các phòng họp: điều khiển bật tắt đèn qua việc ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 7 kiểm soát lượng người ra vào phòng. Thu nhận tín hiệu rồi xử lý tín hiệu, khi có người vào phòng, nếu đèn đang bật thì vẫn bật, đèn chưa bật thì bật đèn lên; khi mọi người ra hết khỏi phòng thì tắt đèn đi. Trong quá trình làm việc hệ thống luôn hiển thị số người còn đang ở trong phòng để tiện cho việc kiểm tra, theo dõi. 1.2.2 Giải pháp thiết kế  Để phát hiện người ra ta dùng 2 bộ thu phát hồng ngoại mắc gần nhau đặt ở cửa ra vào.  Xử lý, điều khiển dùng vi điều khiển Pic: lập trình để Pic nhận tín hiệu vào từ 2 bộ Led hồng ngoại, tính toán xử lý để đưa ra lệnh bật tắt đèn.  Để hiển thị ta dùng Led 7 thanh: lấy tín hiệu ra từ Pic để thông báo xem trong phòng có bao nhiêu người  Điều khiển tắt/mở bóng đèn nhờ transistor cấp dòng cho rơ le. 1.2.3 Các yêu cầu  Hệ thống điều khiển đèn thông minh này áp dụng cho các phòng họp:  Số lượng người trong phòng tối đa không quá 99 người.  Phòng chỉ có một cửa ra vào.  Ở một thời điểm chỉ có 1 người qua cửa.  Cửa cao 2.5m, rộng 2m.  Có người đi vào thì bật đèn và đi ra hết thì tắt đèn.  Hệ thống có 2 chế độ làm việc tự động và bằng tay.  Làm việc với điện áp 220V/50Hz.  Sensor và công nghệ tùy chọn.  Có khả năng nâng cấp, cải tiến. 1.2.4 Giới hạn hạn định  Làm việc cả ban ngày lẫn ban đêm.  Thu nhận tín hiệu liên tục khi có người ra vào.  Nhiệt độ môi trường: trong nhà 10 0 C đến 40 0 C.  Hệ thống cấp điện mới từ đầu. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 8 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1. Sơ đồ tổng quát Hệ thống điều khiển đèn thông minh gồm có 5 khối chính. Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống bật tắt đèn thông minh  Khối Nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống.  Khối Cảm biến: Sử dụng sensor hồng ngoại dùng để thu nhận tín hiệu người vào ra phòng, đưa tín hiệu thu được vào chân Pic để xử lý. Để nhận biết người đi vào hay đi ra ta dùng 2 bộ thu phát hồng ngoại mắc gần nhau.  Khối Xử lý: Dùng VDK Pic 16F877A để lấy tín hiệu từ cảm biến, tính toán, lưu trữ và đưa ra khối hiển thị và khối chấp hành.  Khối Hiển thị: Lấy tín hiệu ra từ chân Pic để hiển thị số lượng người hiện đang ở trong phòng trên Led 7 thanh.Khối Chấp hành: Nhận tín hiệu từ khối xử lý để thực hiện đóng cắt tiếp điểm mạch động lực. Khối xử lý Khối chấp hành Khối hiển thị Khối cảm biến Khối nguồn ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 9 2.2. Sơ đồ Callgraph Hình 2.2: Sơ đồ Callgraph của hệ thống bật tắt đèn thông minh 2.3. Sơ đồ đặc tả Hình 2.3: Sơ đồ đặc tả của hệ thống bật tắt đèn thông minh Chương trình điều khiển chính Module Xử lý C ảm biến Module Xử lý Chương tr ình Cảm biến Chấp hành Hiển thị Phân lượng người trong phòng Bật đèn Hiển thị Số người Tắt đèn Người ra Người vào Có người Không người [...]... SEG-COM-ANODE và hình ảnh minh họa c Kết nối với Vi điều khiển: Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của Led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1 Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển Led 7 đoạn Như vậy Led 7 đoạn nhận một dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt của từng Led đơn trong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển Led 7 đoạn thường Bộ môn Kỹ thuật máy tính 23 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD... vô hạn giúp hệ thống có thể làm việc liên tục, từ giá trị ‘ng’ được trả về từ chương trình ngắt, chương trình chính sẽ gọi các hàm ‘den(ng)’ và ‘Led(ng)’ để thực hiện việc đóng cắt điện và hiển thị Bộ môn Kỹ thuật máy tính 30 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế phần cứng Với đồ án môn học Hệ thống nhúng với đề tài là ‘ Hệ thống bật tắt đèn thông minh dùng... là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điều khiển một dòng lớn vì vậy nó được dùng để bảo vệ công tắc nên cũng được xem là một thiết bị bảo vệ Một rơle điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển nguồn Kết cấu rơle gồm có một lõi sắt ,một cuộn từ và một tiếp điểm Hình 2.17: Cấu tạo một Rơ le đơn giản và hình ảnh Role 5V Bộ môn Kỹ thuật máy tính 25 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD... Sơ đồ mạch nguyên lý 2.7 Thuật toán điều khiển Chương trình có nhiệm vụ:  Kiểm tra xem người đi vào phòng hay đi ra khỏi phòng  Vi điều khiển thực hiện ngắt cổng B để chuơng trình điều khiển thực hiện  Giải thuật: Chương trình điều khiển được thực hiện dựa trên ngắt INTERRUPT của vi điều khiển Chương trình chính hoàn toàn không tham gia vào việc thực hiện điều khiển, chương trình chính có chức năng... trị các pin trong Port A TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp ADCON1 (địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC  Port B Bộ môn Kỹ thuật máy tính 18 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Port B (RPB) gồm 8 pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB Bên cạnh đó... : Module chấp hành của hệ thống bật tắt đèn thông minh Bộ môn Kỹ thuật máy tính 13 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy 2.5 Lựa chọn linh kiện 2.5.1 Vi điều khiển PIC16F877A a Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F877A Hình 2.9: Sơ đồ chân PIC 16F877A b Một vài thông số về vi điều khiển PIC 16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực... ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Vcc-5V Vcc-5V R2 R4 R1 R3 U1 3 LED THU 1 VSS VCC D1 LED PHAT 1 2 TH1 1 OUT 3 OUT 2 TH2 1 D2 LED PHAT 2 LED THU 2 VSS VCC U2 Module phát Module thu Hình 2.5: Module thu phát hồng ngoại 2.4.3 Module điều khiển trung tâm Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển Pic 16F877A Khi có tín hiệu ngắt từ bộ thu hồng ngoại qua các chân RB4 và RB5 của cổng B thi Vi điều khiển. .. động thì đèn bật lên và ngược lại đèn tắt khi Role thôi tác động Để đảm bảo cho hệ thống có thể làm việc ở cả hai chế độ bằng tay và tự động ta dùng công tắc 3 vị trí: ở vị trí 1 là chế độ làm việc tự động, còn vị trí 2 và 3 tương ứng với tắt/ bật đèn 1 2 J1 220V~ Vcc-5V SW1 D3 DEN Diot 3 LS1 RELAY 5 R4 RES 4 Q1 NPN 2 1 R3 RES Vout Hình 2.8 : Module chấp hành của hệ thống bật tắt đèn thông minh Bộ môn... TRISD : điều khiển xuất nhập Thanh ghi TRISE : điều khiển xuất nhập Port E và chuẩn giao tiếp PSP  Port E Port E (RPE) gồm 3 chân I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PortE có ngõ vào analog Bên cạnh đó Port E còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP Các thanh ghi liên quan đến Port E bao gồm: Port E : chứa giá trị các chân trong PortE TRISE : điều khiển xuất... nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp Bộ môn Kỹ thuật máy tính 19 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy PSP ADCON1: thanh ghi điều khiển khối ADC f Ngắt (Interrupt) PIC16F877A có đến 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi INTCON (bit GIE) Bên cạnh đó mỗi ngắt còn có một bit điều khiển và cờ ngắt riêng Các cờ ngắt vẫn được set bình thường khi thỏa mãn điều kiện ngắt xảy .  Hệ thống cấp điện mới từ đầu. ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ thuật máy tính 8 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1. Sơ đồ tổng quát Hệ thống điều khiển đèn thông minh. Giải pháp công nghệ Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải pháp xây dựng hệ thống điều khiển đèn thông minh cho các phòng họp: điều khiển bật tắt đèn qua việc ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD. điều khiển 27 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 31 3.1 Thiết kế phần cứng 31 3.2 Thiết kế phần mềm 31 3.3. Kết quả mô phỏng 34 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 ĐAMH Hệ thống