Thiết kế hệ thống điều khiển đèn thông minh

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

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)

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

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

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

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

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

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

 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

 Hệ thống cấp điện mới từ đầu

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

Module

Xử lý Cảm biến

Module

Xử lý Chương trình

Phân lượng người trong phòng

2.4 Các module trong hệ thống

2.4.1 Module khối nguồn

Module này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn xoay chiều 220V để cung

cấp cho các linh kiện trong hệ thống Sử dụng biến áp để biến điện áp xoay chiều

220V thành điện áp xoay chiều 12V, dùng chỉnh lưu từ 12V xoay chiều sang

12V một chiều, dùng IC 7805 ổn áp để lấy ra điện áp ổn định 5V ở ngõ ra

J2

220V~

1 2

C2 C

12V

Hình 2.4.: Module nguồn cấp

2.4.2 Module cảm biến

Bộ phận cảm biến của hệ thống sử dụng mạch thu phát hồng ngoại Led

phát hồng ngoại nối với nguồn 1 chiều qua điện trở R1, R2: phát ra ánh sáng

hồng ngoại truyền tới Led thu Led thu hồng ngoại có 3 chân: chân 3 và 1 nối với

nguồn qua R3, R4 và đất, chân 2 lấy tín hiệu ra đưa vào chân Vi xử lý Ở trạng

thái bình thường, tín hiệu hồng ngoại truyền từ khối phát được Led thu thu nhận,

trên đầu ra 2 tín hiệu ở mức cao (mức 1); khi có người đi cắt qua khiến Led thu

mất tín hiệu, đầu ra 2 cho tín hiệu ở mức thấp (mức 0) Để có thể phân biệt được

là người đi vào hay đi ra ta mắc 2 bộ Thu- Phát song song và đặt cạnh nhau Tín

hiệu thu được từ đầu ra của 2 Led thu được đưa vào 2 chân Vi xử lý để thực hiện

quá trình tính toán, kiểm tra, lưu trữ…

D1 LED PHAT 1

D2 LED PHAT 2

Vcc-5V

U1 LED THU 1

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 sẽ kích hoạt ngắt cổng B từ RB4>>RB7, qua thuật toán đã nạp Pic thực

hiện chương trình điều khiển đưa tới các cổng A, C, D tín hiệu để điều khiển

khối hiển thị (Led 7 thanh) và khối chấp hành (module động lực)

Bộ tạo dao động dùng thạch anh 20M cung cấp ngồn dao động cho Pic

Bộ Reset cấp nguồn 5V và xác lập trạng thái ban đầu cho Pic

Y1 ZTB C3

RA1/AN1 3

RA2/AN2/VREF-/CVREF 4

RA3/AN3/VREF+

5 RA4/T0CKI/C1OUT 6

RA5/AN4/SS*/C2OUT 7

RB0/INT 33RB1 34RB2 35RB3/PGM 36RB4 37RB5 38RB6/PGC 39RB7/PGD 40

RC0/T1OSO/T1CKI 15RC1/T1OSI/CCP2 16RC2/CCP1 17RC3/SCK/SCL 18RC4/SDI/SDA 23RC5/SDO 24RC6/TX/CK 25RC7/RX/DT 26RD0/PSP0 19RD1/PSP1 20RD2/PSP2 21RD3/PSP3 22RD4/PSP4 27RD5/PSP5 28RD6/PSP6 29RD7/PSP7 30

OSC1/CLKIN 13

OSC2/CLKOUT 14

VDD 32

VDD 11

VSS 31 VSS 12

MCLR*/VPP 1

RE0/RD*/AN5 8

RE1/WR*/AN6 9

RE2/CS*/AN7 10

S1 S3 S4 S5 S6 S7 S2

L1 L2

TH2

T13 T14

Hình 2.6: Module điều khiển trung tâm

2.4.4 Module tương tác điều khiển (hiển thị)

Để tiện cho việc kiểm tra theo dõi số người hiện đang ở trong phòng, ta sử

dụng 2 Led 7 thanh mắc chung Anot với số người hiển thị tối đa là 99 người Tín

hiệu điều khiển từ Vi xử lý đưa ra cổng C để bật tắt các thanh Led từ 1 đến 7(

tích cực ở mức dương) tương ứng với các con số từ 0 đến 9 cần hiển thị Để hiển

thị cả hai Led ta dùng thuật toán quét Led với tín hiệu đưa ra từ cổng D quyết

định Led 1 hay Led 2 được bật

Bộ phận chấp hành có Role nối với thiết bị điện Vi xử lý sau khi xử lý tín

hiệu sẽ gửi lệnh điều khiển để đóng mở Transistor cấp nguồn cho cuộn dây của

Role (dòng hoặc áp) Đèn điện được nối với nguồn 220V xoay chiều qua tiếp

điểm của Role, khi Role tác 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

Q1 NPN

LS1 RELAY

J1 220V~

DEN

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 thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt

động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ chương

trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM

với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O Các đặc tính ngoại

vi bao gồm các khối chức năng sau:

 Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

 Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa

 Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler Hai bộ Capture/so sánh/điều

chế độ rộng xung

 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C Chuẩn

giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS

bên ngoài

 Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit Hai bộ so sánh

 Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần Bộ nhớ EEPROM với khả

năng ghi xóa được 1.000.000 lần Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40

năm Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm Nạp được

chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông

qua 2 chân Watchdog Timer với bộ dao động trong Chức năng bảo mật mã

chương trình Chế độ Sleep Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác

nhau

c Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A

Hình 2.10 : Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

d Tổ chức bộ nhớ

Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương

trình (program memory) và bộ nhớ dữ liệu (data memory)

page 0 đến page 3) Như vậy bộ nhớ chương trinh có khả năng chứa được

8*1024 =8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14

bit) Để mã hóa được địa chỉ của 8k word bộ nhớ chương trình , bộ đếm chương

trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>) Khi vi điều khiển reset , bộ đếm chương

trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (reset vector) Khi có ngắt xảy ra , bộ đếm chương

trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (interrupt vector) Bộ nhớ chương trình không bao

gồm bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau

Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm

nhiều bank Đối với PIC16F877A bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank

Mỗi bank có dung lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt

SFG (Special Function Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi

mục đích chung GPR (General Purpose Pegister) nằm ở vùng địa chỉ còn lại

trong bank Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi

STATUS) sẽ được đặt ở tất cà các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong

quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của chương trình

Stack không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu mà là một

vùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi Khi lệnh CALL được thực hiện

hay khi một ngắt xảy ra làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị của bộ đếm chương

trình PC tự động được vi điều khiển cất vào trong stack Khi một trong các lệnh

RETURN, RETLW hat RETFIE được thực thi, giá trị PC sẽ tự động được lấy ra

từ trong stack, vi điều khiển sẽ thực hiện tiếp chương trình theo đúng qui trình

định trước

Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả năng chứa được

8 địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng Nghĩa là giá trị cất vào bộ nhớ

Stack lần thứ 9 sẽ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần đầu tiên và giá trị cất vào

bộ nhớ Stack lần thứ 10 sẽ ghi đè lên giá trị 6 cất vào Stack lần thứ 2 Cần chú ý

là không có cờ hiệu nào cho biết trạng thái stack, do đó ta không biết được khi

nào stack tràn Bên cạnh đó tập lệnh của vi điều khiển dòng PIC cũng không có

lệnh POP hay PUSH, các thao tác với bộ nhớ stack sẽ hoàn toàn được điều khiển

bởi CPU

e Các cổng xuất nhập của PIC16F877A

Cổng xuất nhập (I/O port) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để

tương tác với thế giới bên ngoài Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá

trình tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng

Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân (I/O pin), tùy

theo cách bố trí và chức năng của vi điều khiển mà số lượng cổng xuất nhập và

số lượng chân trong mỗi cổng có thể khác nhau Bên cạnh đó, do vi điều khiển

được tích hợp sẵn bên trong các đặc tính giao tiếp ngoại vi nên bên cạnh chức

năng là cổng xuất nhập thông thường, một số chân xuất nhập còn có thêm các

chức năng khác để thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại vi nêu trên đối

với thế giới bên ngoài Chức năng của từng chân xuất nhập trong mỗi cổng hoàn

toàn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanh ghi SFR liên

quan đến chân xuất nhập đó

 Port A

Port A (RPA) bao gồm 6 I/O pin Đây là các chân “hai chiều”

(bidirectional pin), nghĩa là có thể xuất và nhập được Chức năng I/O này được

điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h) Muốn xác lập chức năng của một

chân trong PortA là input, ta “set” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong

thanh ghi TRISA và ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong Port

A là output, ta “clear” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi

TRISA Thao tác này hoàn toàn tương tự đối với các PORT còn lại Bên cạnh đó

Port A còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào analog ngõ vào xung

clock của Timer0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous

Serial Port)

Các thanh ghi SFR liên quan đến Port A bao gồm:

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