Đồ án 1 Mạch điều khiển xe ba chế độ dùng IC số

Mạch điều khiển xe ba chế độ, theo line, theo sóng hồng ngoại và theo điều khiển từ xa, đồ án môn học 1 ngành điện tử trường Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, mạch sử dụng IC số và không lập trình bằng vi điều khiển nên rất dễ làm, và làm vào là chạy, xe tích hợp thêm mạch phát hiện người, cảm biến PIR đằng sau xe giúp ban đêm, xe là một vật nhận biết ăn trộm trong gia đình

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1

HỒNG NGOẠI

GVHD : NGUYỄN THANH HẢI

SVTH : Dương Hoàng Long

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng 5 năm 2015

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Giới hạn 4

Chương 2 THIẾT KẾ 2

2.1 Giới thiệu 2

2.2 Thiết kế sơ đồ khối 2

2.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 5

2.3.1 Khối nguồn 5

2.3.2 Khối mạch phát hồng ngoại 6

2.3.3 Khối mạch thu hồng ngoại 6

2.3.4 Khối cảm biến thu phát hồng ngoại 6

2.3.5 Khối mạch cảm biến quang trở 6

2.3.6 Khối mạch trung tâm 6

2.3.7 Khối mạch L298N 6

2.3.8 Khối cảm biến PIR 6

2.3.9 Khối động cơ 6

2.3.10 Khối báo động 6

Chương 3 THI CÔNG MẠCH 7

3.1 Vẽ sơ đồ nguyên lý 7

3.1.1 Giới thiệu phàn mềm Proteus 7

3.1.2 Sử dụng phần mềm Proteus 7

3.1.3 Danh sách các linh kiện sử dụng trong mạch 7

3.2 Vẽ PCB 8

3.3 Gia công mạch, lắp ráp và kiểm tra mạch 8

Chương 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN 11

4.1 Sự hoạt động của mạch 11

4.2 Hạn chế của mạch 14

4.3 Hướng phát triển của mạch 16

KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

PHỤ LỤC 25

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tàiliệu hay công trình đã có trước đó Nếu có sao chép tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đồ án môn học 1, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thâncòn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý thầy cô, cũng như sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn

bè trong suốt thời gian học tập và thực hiện đồ án môn học 1

Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Thanh Hải – Giảng viên hướngdẫn đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để em hoàn thành tốt đồ ánnày

Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử và cácthầy cô trong trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tận tình truyền đạt những kinhnghiệm quý báu, và tạo những điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tậpnghiên cứu đến khi hoàn thành đồ án

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đồ án

Dương Hoàng Long

GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 GIỚI THIỆU

Mạch điều khiển xe bằng sóng hồng ngoại dùng sóng hồng ngoại để điềukhiển xe từ xa, ngoài ra, trong đồ án môn học 1, em còn tích hợp thêm một

số chức năng cho mạch điều khiển Các chức năng của mạch:

- Chức năng điều khiển từ xa: dùng mạch thu phát hồng ngoại nhiều kênh là

PT2248 và PT 2249 để điều khiển xe chạy rẽ trái, rẽ phải, và đi thẳng theomong muốn của người điều khiển

- Chức năng chạy theo vạch màu đen: sử dụng đặc tính thay đổi điện trở của

quang trở để giúp xe chạy theo vạch màu đen không ngắt khoảng, giúp xechạy theo quãng đường đã dự định trước

- Chức năng chạy tự hành: sử dụng việc thu phát hồng ngoại để giúp xe tự

động chạy né vật cản, xe tự động đổi hướng khi gặp vật cản, qua đó xe cóthể di chuyển tự hành

- Chức năng phát hiện người vào ban đêm: xe tích hợp mođun PIR hoạt động

độc lập vào ban đêm, chức năng này không phải để xe di chuyển theo người

mà nó giúp báo động khi có người di chuyển vào ban đêm, đây là chứcnăng tích hợp thêm

1.2 GIỚI HẠN

- Đề tài dùng các IC số nên khả năng tối ưu cũng như nâng cấp là có thể

nhưng phải thiết kế mới bo mạch trung tâm nên khả năng mở rộng bo mạchtrung tâm là khó khăn, xe hoạt động dùng pin 12V nên xe có hoạt động lâuhay không còn tùy vào chất lượng, cũng như độ bền của pin

- Xe sử dụng ba chế độ chạy khác nhau, mỗi chế độ chạy sẽ độc lập với nhau

thông qua công tắc điều chỉnh

- Do xe dùng IC số nên khả năng nhỏ gọn của xe gặp khó khăn, xe gômd

nhiều tầng ghép lại và bố trí khó khăn Bên cạnh đó là tốc độ của xe cũng sẽkhông được nhanh

sẽ còn các khối có nhiệm vụ thục hiện việc điều khiển đó.

2.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI

Theo yêu cầu của đề tài thì sơ đồ khối của mạch điều khiển xe bằng sónghồngngoại như hình 2-1:

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển xe bằng sóng hồng ngoại.

Khốinguồn(PIN 12 V,Mạch

Mạch pháthồng ngoại

Mạch thuhồng ngoại

Mạch trungtâm

Khối báođộng (tíchhợp)

Cảm biếnPIR(độc lập)

Cảm biếnthu pháthồng ngoại

Cảm biếnquang trở

KhốiLM298NĐộng cơ

Chức năng từng khối:

 Khối nguồn: cung cấp nguồn điện cho tất cả các khối hoạt động

 Khối mạch phát hồng ngoại: có chức năng phát hồng ngoại có tần số khácnhau đến khối thu hồng ngoại

 Khối mạch thu hồngngoại: có chức năng nhận tín hiệu điều khiển từ khốiphát hồng ngoại để đưa đến khối trung tâm

 Khối mạch trung tâm: có chức năng nhận các tín hiệu điều khiển từ các khốinhư khối phát hồng ngoại, khối cảm biến thu phát hồngngoại, khối quangtrở để xử lý và xuất đến các khối báo động và khối LM298N

 Khối cảm biến PIR: có chức năng phát hiện người vào ban đêm

 Khối cảm biến thu phát hồng ngoại: có chức năng phát hiện vật cản để đưatín hiệu về khối trung tâm

 Khối cảm biến quang trở: có chức năng dò đường vạch màu đen

 Khối LM298N: có chức năng nhận tín hiệu từ khối mạch trung tâm để điềukhiển động cơ DC12V

 Khối động cơ: có chức năng hoạt động theo sự điều khiển của khối trung tâmthông qua khối LM298N

 Khối báo động: có chức năng báo động bằng buzz hoặc led

2.3 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

2.3.1. Khối nguồn

Cung cấp nguồn điện 5V DC cũng như 12V DC cho toàn bộ các khối còn lại Điện áp12V DC lấy từ pin 12V (hình 2.3.), do đặc thù là xe chuyển động chứ không cố định nênkhông thể dùng nguồn cố định, nguồn điện 5V DC được chuyển từ 12V DC(pin) dùng ICnguồn 7805

Hình 2.3.1.1 Kí hiệu và hình ảnh IC nguồn 7805 Hình 2.3.1.2 Pin 12V DC

Hình 2.3.1.3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 5V

2.3.2. Khối mạch phát hồng ngoại

Sử dụng IC PT2248 (hình 2.3.2.1) điều khiển phát tín hiệu hồng ngoại ở ngõ ra ở 18 tần

số mã hóa khác nhau hay có thể hiểu là ở ngõ ra sẽ có 18 kênh tần số mã hóa khác nhau.PT2248 làm việc với điện áp 2.2 đến 5V [2] PT2248 ứng dụng trong nhiều thiết bị điềukhiển từ xa với khoảng cách ngắn

Sơ đồ mạch được sử dụng trong datasheet PT2248 [2] , trong datasheet dùng 18 kênh, do

số lượng kênh điều khiển trong đồ án là 3 nên em sử dụng 5 kênh (hình 2.3.2.2), 3 kênhđiều khiển nối với mạch trung tâm, 2 kênh còn lại chủ yếu để xác nhận là mạch có hoạtđộng và không được nối với mạch trung tâm

Hình 2.3.2.1 IC PT2248

Hình 2.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch phát hồng ngoại

2.3.3 Khối mạch thu hồng ngoại

Sử dụng IC PT2249A (hình 2.3.3.1) để thu tín hiệu (hồng ngoại) từ PT2248 phát ra vàgiải mã thành các kênh tương ứng như ở bên phát, điện áp ra của từng kênh là 3.3V vừa

đủ mức cao nên trong đồ án này, em không khuếch đại tín hiệu ngõ ra từ các chân ngõ racủa PT2249A

Sơ đồ nguyên lý của mạch em sử dụng trong datasheet của PT2249A, do chỉ dùng 5 kênhnên em đơn giản hóa sơ đồ trong datasheet PT2249A[3] , giúp mạch đơn giản hơn (hình2.3.3.2)

VCC VCC

3 K1 4 K2 5 K3 6 K4 7 K5

9 SP3 10SP2 11SP1 12CODE3 13CODE2 14OSC 15VCC 16

Hình 2.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu hồng ngoại 5 kênh

Mắt thu hồng ngoại 3 chân: sử dụng loại có vỏ bằng sắt trên thị trường, em không dùngloại vỏ nhựa vì loại vỏ sắt chống nhiễu tốt hơn[4] Mắt thu hồng ngoại 3 chân có sơ đồchân và hình ảnh thực tế như hình 2.3.3.3 Do dòng ngõ ra tại mắt thu 3 chân nhỏ [6] nên

em dùng transistor khuếch đại lên (ở đây em sử dụng transistor npn C1815)

Hình 23.3.3 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của mắt thu hồng ngoại vỏ sắt

2.3.4 Khối cảm biến thu phát hồng ngoại

Sử dụng thu phát hồng ngoại sau đó qua opam LM324 (hình 2.3.4.1) so sánh mức điện áp

để xác định là có vật cản hay không có vật cản Sơ đồ nguyên lý như hình (2.3.4.2)

Mạch dùng opam so sánh, khi tín hiệu hồng ngoại từ led phát hồng ngoại gặp vật cản và

Hình 2.3.4.1 IC LM324

OUT1

OUT1 VCC GND

GND

3 2

GND

1 2 3

J1

CONN-SIL3

Hình 2.3.4.2 Mạch thu phát hồng ngoại

2.3.5 Khối cảm biến quang trở

Cũng tương tự như khối cảm biến thu phát hồng ngoại, khối cảm biến quang trở cũng sửdụng opam so sánh mức điện áp LM324(hình 2.3.4.1) nhưng ở đây sử dụng quang trở.Khi có ánh sáng thì điện trở của quang trở sẽ giảm và ngược lại [5] , điện trở của nó thay

màu trắng làm nguồn sáng cho nó Sơ đồ nguyên lý như hình 2.3.5.2 Nên khi gặp nềntrắng, ánh sáng sẽ phản xạ lên quang trở làm điện trở nó giảm xuống và khi gặp vạch đenthì ánh sáng sẽ khó phản xạ nên quang trở nhận ít ánh sáng => trở nó tăng Từ đó dựa vào

2 quang trở, xe có thể phân biệt được vạch đen trên nền trắng

Khi quang trở bị ánh sáng trắng chiếu vào thì điện trở của nó giảm xuống còn khoảng 5k

∩, nên ngõ trừ của opam LM324 sẽ có áp cao hơn ngõ cộng nên ngõ ra sẽ ở mức cao,ngược lại sẽ là mức thấp

Hình 2.3.5.1 Quang trở

Hình 2.3.5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang trở

2.3.6 Khối mạch trung tâm

1OUT 1 1IN- 2 1IN+

3 VCC 4 2IN+

5 2IN- 6 2OUT

8 3IN- 9GND 114IN+4IN- 12134OUT 14

3IN+ 10LM1

LM324

R6 10k

R7 10k

GND

D2 LED-RED

R8 220

R9 220

D3 LED-RED

GND R10

10k

R11 10k

R12 10k R13 10k

Khối mạch trung tâm sẽ nhận các tín hiệu từ các khối như khối cảm biến quang trở, khốithu phát hồng ngoại và khối mạch thu hồng ngoại 5 kênh để tiến hành điều khiển động cơnhư ý muốn Bảng trạng thái của mạch trung tâm như sau :

Left(D)

Right(E)

Kênh1

Kênh2

Kênh3

 Nhóm 1 : gồm trái (C), phải (B), thẳng (A) là các tín hiệu lấy vào từ cảmbiến thu phát hồng ngoại (không phả điều khiển từ xa) cho chế độ xe tự hành+Trái : cảm biến đặt bên trái xe

+Phải : cảm biến đặt bên phải xe

+Thẳng : cảm biến đặt đằng trước xe

 Nhóm 2 : gồm left(D) và right(E) là các tín hiệu lấy từ cảm biến quang trởgiúp xe chạy theo đường đi định trước theo màu đen

+Left : quang trở đặt bên trái

+Right : quang trở đặt bên phải

 Nhóm 3 : gồm kênh 1, kênh 2 và kênh 3, là tín hiệu điều khiển từ xa từPT2249A, giúp xe chạy thẳng, rẽ trái và rẽ phải theo ý muốn của người điềukhiển

+Kênh 1 : chạy thẳng

+Kênh 2 : rẽ trái

+Kênh 3 : rẽ phải

nguyên lý như hình 2.3.6.2 Trong đó sử dụng IC 4072 là IC có cổng OR 4 ngõ vào, IC

7414 là IC cổng NOT, ic 7432 cổng OR 2 ngõ vào và IC 7408 là IC cổng AND 2 ngõ vào

Hình 2.3.6.1 Các cổng logic sử dụng trong mạch trung tâm

Hình 2.3.6.2 Sơ đồ nguyên lý mạch trung tâm

8

U4:C

7432

trai thang

GND trai phai thang

GND left right

kenh 2 GND

out1

out2

out1 out2

IN1

IN2

IN3

IN1 IN3

12V GND VCC

kenh 3 kenh 1

2 4 5

1

U1:A

4072

9 10 11

J2

CONN-SIL4

1 3 4 5

J3

CONN-SIL5

1 2

Mức điện áp từ ngõ ra của mạch trung tâm sẽ không đủ để cấp cho động cơ, chính điều

đó em sử dụng mạch điều khiển động cơ L298N(hình 2.3.7.1) để cấp điện áp cho động cơ

và để nhận tín hiệu điều khiển từ mạch trung tâm Sơ đồ mạch nguyên lý như hình 2.3.7.2

Hình 2.3.7.1 IC L298N

Hình 2.3.7.2 Sơ đồ nguyên lý mạch L298N

2.3.8 Khối cảm biến PIR

Như đã trình bày thì khối PIR chủ yếu là để tích hợp thêm nên chức năng của khối nàyhoàn toàn độc lập với xe điều khiển, vì vậy khối này chỉ sử dụng nguồn 5V, và tín hiệuxuất ra buzz của nó cũng hoàn toàn độc lập với sự chuyển động của xe, xe sẽ không dichuyển khi phát hiện người

OUT1 OUT2 OUT3 OUT4

OUT3 OUT4

5V 5V

GND VCC 5V

IN1 5 IN2 7

ENA 6

SENSA 1

SENSB 15

GND 8

VS

4 VCC

J1

CONN-SIL2

1 2

R2 33K

R3 1K

R4 33k

R5 33k

GND

C1 103

GND

R6 1K

C2

470u

GND

R7 1K

C3 470u

C4 47u

GND

R9 2,2M C5 104

R10 100K

D1 1N4148

5 6 7

LM324

C6 47u R11 680k

12 13 14

LM324

R13 10k

R14 150K

GND

R15 10k

R16 100K

R17

68K

GND

R18 10k

R19 150k

GND

C7 22U R20

150K

GND

R21 10k

GND

R22 560

R23 10k

C8 47u

BUZ1 BUZZER

3.1.1 Giới thiệu phần mềm Proteus

Proteus là phần mềm dùng để thiết kế và mô phỏng mạch điện trong số rất nhiều phần mềm khác như Orcad, Eagle… Tuy nhiên, proteus có thế mạnh hơn hẳn so với các phần mềm khác ở các mặt như sau:

- Thư viện linh kiện phong phú

- Hỗ trợ nhiều thiết bị đo và kiểm tra

- Cho phép thiết kế và mô phỏng sơ đồ nguyên lý của các mạch điện như

mạch tương tự, mạch số, cả tương tự và số

- Cho phép chạy mô phỏng các loại vi điều khiển như PIC,AT89, Arduino,

MSP…

- Cho phép bổ sung thêm thư viện mô phỏng khi cần thiết.

- Cho phép tự vẽ thêm linh kiện mới ở cả layout và mạch thiết kế

- Hỗ trợ thiết kế mạch in

Tuy nhiên, so về nhiều khía cạnh thì có thể proteus không thực sự nổi trội hơn các phần mềm khác, lấy ví dụ như khi vẽ layout thì proteus không thể có layout đẹp và mượt như orcad hay altium, nhưng proteus lại mô phỏng mạch được cũng như proteus có thể đi dây

1 lớp tự động trong khi altium thì không……

Tuy không hoàn toàn tốt nhất ở nhiều khía cạnh nhưng xét về tổng quát những tính năng thực hiện thì proteus có thể đảm nhận khá tốt cho nhiều vấn đề nên trong đồ án môn học

 Chạy trên môi trường Window 2000 XP, Win 7, Win8… [1]

3.1.2 Danh sách các linh kiện sử dụng trong mạch

Hình 3.2.1 Mạch thu phát hồng ngoại

Hình 3.2.2 Mạch L298N

Hình 3.2.3 Mạch cảm biến quang trở

Hình 3.2.4 Mạch phát hồng ngoại 5 kênh

Hình 3.2.5 Mạch thu hồng ngoại 5 kênh

Hình 3.2.6 Mạch trung tâm

Hình 3.2.7 Mạch PIR

3.3 GIA CÔNG MẠCH VÀ LẮP RÁP KIỂM TRA MẠCH

Sau khi hoàn tất việc vẽ mạch in và tiến hành rửa mạch in, em được sảnphẩm là mạch hoàn chỉnh như sau:

Hình 3.3.1 Mạch trung tâm

Hình 3.3.2 Mạch L298N

Hình 3.3.3 Mạch thu hồng ngoại 5 kênh

KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN

- Khi xe chạy trong chế độ điều khiển, do mỗi lần chạy chỉ được một kênh nên khả nănglinh hoạt của xe không cao, người điều khiển xe phải liên tục nhấn nút Hơn nữa do xeđược điều khiển từ xa qua sóng hồng ngoại nên khi xe chạy quá xa, thì người điều khiển

sẽ không còn điều khiển xe được nữa

- Xe quá cồng kềnh và nặng nề

4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA MẠCH

- Để có thể điều khiển xe ở khoảng cách xa hơn, ta có thể thay thế sóng hồng ngoại bằngsóng RF

- Đồ án làm bằng IC số nên ít nhiều cũng không thế nào có hiệu suất cao và nhỏ gọn nên

có thể thay thế bằng vi xử lý, giúp xe thông minh hơn, tối ưu hơn

- Cảm biến PIR nên được tích hợp cùng với khối điều khiển trung tâm để nó trở nên linhđộng hơn

- Thay động cơ để có thể đạt vận tốc cao hơn

TÀI LỆU THAM KHẢO

[1] phong-proteus-59163/

http://doc.edu.vn/tai-lieu/bao-cao-huong-dan-su-dung-phan-mem-mo-[2] datasheet PT2248

[3] datasheet PT2249A

[5] https://sites.google.com/site/vatlyvmd/bai-ghi/k12/ch-6-luong-tu-anh-sang/bai-3-quang-tro-va-pin-quang-dien

[7] Bao gồm 10kΩ, 150kΩ 33kΩ, 150Ω,100Ω, 1kΩ, 2.2MΩ, 68kΩ, 100kΩ, 680kΩ, 560Ω , 470Ω, 220Ω, 330Ω, 2.2kΩ, 39kΩ,