Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Bãi Đỗ Xe Thông Minh

Khảo sát vấn đề Hiện nay những ứng dụng của phần cứng được sử dụng ngày càng nhiều và phổ biến,đảo qua các trung tâm thành phố lớn chúng ta có thể thấy những bãi đỗ xe thông minh có sửdụ

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI 6

1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Khảo sát vấn đề 6

1.3 Các vấn đề cần giải quyết của bài toán 6

1.4 Giải pháp 7

1.5 Mục đích đề tài 7

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU MỘT SỐ IC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH 8

2.1 Giới thiệu về PIC: 8

2.1.1 Tổng quan về họ vi điều khiển 8

2.1.2 Một số đặc tính của vi điều khiển PIC 8

2.1.3 Những đặc tính ngoại vi 9

2.1.4 Đặc điểm về tương tự 9

2.1.5 Các đặc điểm đặc biệt của vi điều khiển Pic 10

2.2 Giới thiệu về PIC16F8XX và PIC16F877A: 10

2.2.1 Các đặc tính ngoại vi bao gồm 11

2.2.2 Sơ lược về vi điều khiển PIC 16F877A: 12

2.2.3 Cấu trúc phần cứng của PIC 16F877A: 13

2.2.4 Tổ chức bộ nhớ 14

2.2.5 Khái quát chức năng các Port trong vi điều khiển PIC 16F877A: 17

2.3 Các linh kiện sử dụng trong mạch 17

2.3.1 LCD 16TC2A 17

2.3.2 Module RFID RC522 20

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM 23 3.1 Sơ đồ khối 23

3.2 Lưu đồ thuật toán 23

3.3 Sơ đồ nguyên lý 26

3.4 Sơ đồ board mạch 27

3.5 Sản phẩm thực tế 27 CHƯƠNG lV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công cuộc công nghiệphóa hiện đại hóa đất nước đang phát triển mạnh mẽ Trước tình hình đó đã có khá nhiều yêucầu cấp bách và cũng là những thách thức được đặt ra cho giới trí thức

Để tiếp tục dẫn dắt sự phát triển của đất nước ngày càng giàu mạnh, thì phải đầu tư chogiáo dục, đào tạo thế hệ trẻ có đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo, thì phải đưa các phương tiện dạy học hiện đại vàotrong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ con người ngày càng cao đáp ứngđược yêu cầu của xã hội Để làm quen với công việc thiết kế, chế tạo và tìm hiểu các

về các loại linh kiện điện tử, chúng em đã được các thầy cô trong khoa Đi ện - Điện tử

giao cho đồ án môn học “ Thiết kế, chế tạo mô hình bãi đỗ xe thông minh ” nhằm củng

cố về kiến thức trong quá trình thực tế Sau khi nhận được đề tài, với sự hướng dẫn củathầy Đỗ Quang Huy cùng với sự nỗ lực của bản thân, sự tìm tòi nghiên cứu tài liệu đếnnay đồ án của chúng em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù

đã có gắng nhưng do thời gian cũng như trình độ vẫn còn hạn chế nên không thểtránh khỏi sai sót Vậy em kính mong sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các

thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay kỹ thuật điện tử đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ Ngoàiviệc đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực trong các nghành khoahàng không vũ trụ, thông tin liên lạc, tự động điều khiển… điện tử còn đáp ứng được cho ranhững điện thử tự động đòi hỏi sự chính xác cao đã hỗ trợ con người rất nhiều trong cuộcsống Những thành tựu khoa học kỹ thuật đã mang đến cho con người một cuộc sống tiệnnghi văn minh và hiện đại

Hai trong những ứng dụng rất nổi bật của cộng nghệ điện tử là kỹ thuật nhận dạng tựđộng và kỹ thuật báo động điện tử Các công nghệ nhận dạng tự động như: các mã vạch, cácthẻ thông minh, công nghệ sinh trắc học, nhận dạng đặc trưng quang học và nhận dạng tần

số vô tuyến RFID Các thiết bị báo động điện tử như: hệ thống báo cháy, hệ thống báo trộmbằng chuông, hệ thống đóng mở cửa sử dụng mật mã… ứng dụng của hai kỹ thuật này đãgóp phần rất lớn trong việc an toàn vệ an toàn dụng cụ và tài sản của người sử dụng

1.2 Khảo sát vấn đề

Hiện nay những ứng dụng của phần cứng được sử dụng ngày càng nhiều và phổ biến,đảo qua các trung tâm thành phố lớn chúng ta có thể thấy những bãi đỗ xe thông minh có sửdụng modul đọc thẻ để kiểm soát lượng xe ra vào một cách hoàn toàn tự động Chúng trôngkhá đẹp mắt và tiện lợi Ngoài ra module đọc thẻ còn được sử dụng vào rất nhiều lĩnh vựckhác trong cuộc sống như : ứng dụng thẻ từ Rfid để đóng mở cửa , ứng dụng quản lý xe ravào lấy hàng hóa , ứng dụng trạm thu phí tự động hóa …

Đề tài chúng em chọn xuất phát từ ý tưởng trong thực tế đang cần những ứng dụngcông nghệ thông minh vào trong cuộc sống Với ý tưởng này chúng em đã kết hợp lý thuyết

và thực tế để làm đồ án “Thiết kế, chế tạo mô hình bãi đỗ xe thông minh”.

1.3 Các vấn đề cần giải quyết của bài toán

Bài toán“Thiết kế, chế tạo mô hình bãi đỗ xe thông minh”đặt ra các yêu cầu sau:

- Có khả năng phát triển và mở rộng vào các ứng dụng trong thực tế

- Có độ bền cao, hệ thống chạy ổn định

- Lập trình cho PIC 16F877A rồi từ đó áp dụng cho ứng dụng

- Mạch có hiển thị trên LCD, và giám sát trên máy tính

- Sử dụng module RFID RC522

1.4 Giải pháp

Giải pháp đưa ra để đáp ứng yêu cầu bài toán:

- Sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A

- Sử dụng module RFID RC522

- Xây dựng chương trình phần mềm điều khiển

- Lập trình cho nút bấm để điều khiển mạch

- Sử dụng LCD để hiển thị thông số

1.5 Mục đích đề tài

Sự cần thiết, quan trọng cũng như tính khả thi và lợi ích của mạch số cũng chính là lý

do để chúng em chọn và thực hiện đồ án “Thiết kế, chế tạo mô hình bãi đỗ xe thông minh” nhằm ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế Và hơn thế nữa có thể mở rộng ứng

dụng của mạch vào trong thực tế nhằm đem lại sự hiệu quả trong công việc

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU MỘT SỐ IC ĐƯỢC SỬ DỤNG

TRONG MẠCH

2.1 Giới thiệu về PIC:

2.1.1 Tổng quan về họ vi điều khiển

Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển Microelectronics Division thuộcGeneral_Instrument PIC bắt nguồn từ chữ viết tắc của “Programmable IntelligentComputer” (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng GeneralInstruments đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc này, PIC 1650 đượcPic là một ho vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Mirochip Technology dùng

để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho các máy chủ 15 bit CP1600, vì vậy, người tacũng gọi PIC “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi).CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, vì vậy PIC 8_bitđược phất triển vào khoảng năm 1975 để hổ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC sửdụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù cụm từ RISC chưa được sử dụngthời bấy giờ, nhưng PIC thật sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnhmột chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động) Năm 1985 General Instruments bán bộ phận

vi điện tử của họ, và chủ sở hữu hũy bỏ hầu hết các dự án lúc đó quá lỗi thời Tuy nhiên,PIC được bổ xung EPROM để tạo thành một bộ điều khiển vào ra khả trình Ngày nay rấtnhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (nhưUSART, PWM, ADC…), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32k Word

2.1.2 Một số đặc tính của vi điều khiển PIC

Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng nhưng chúng ta

có thể điểm qua một vài nét sau:

 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harward có sữa đổi

 Flsah và ROM có thể tùy chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte

 Các cổng xuất/nhập (I/O) mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và 1

 8/16 bit timer

 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ, khung đồng bộ USART

 Bộ chuyển đổi ADC Analog_to_digital converters, 10/12 bit

 Bộ nhớ nội EPROM-có thể ghi/xóa lên tới một triệu lần.

 Moudle điều khiển động cơ, đọc encoder

 Hỗ trợ giao tiếp USB

 Hỗ trợ giao tiếp CAN

 Hỗ trợ giao tiếp LIN

 Hỗ trợ giao tiếp IRDA

 Một số dòng có tích hợp 7675bộ RF (PIC16f639 và RFPIC)

 KEELOQ mã hóa và giải mã

 DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC) đặc điểm thực thi tốc độ cao củaRISC CPU của họ vi điều khiển PIC16F87XA

 Timer0: 8_bit định thời/đếm với 8_bit, prescaler

 Timer1: 16_bit định thời/đếm với prescaler, có thể được tăng lên trong suốt chế độSleep qua thạch anh/xung clock bên ngoài

 Timer2: 8_bit định thời/đếm với 8_bit, prescaler, postscaler

 Hai module Capture, Compare,PWM:

 Capture có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12,5ns

 Compare có độ rộng 16 bit, độ phân giải 200ns

 Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10bit

 Có 13 ngõ I/O có thể điều khiển trực tiếp

 Dòng vào và ra lớn:

 25mA dòng vào cho mỗi chân

 20mA dòng ra cho mõi chân

2.1.4 Đặc điểm về tương tự

- 10 bit, với 8 kênh của bộ chuyển đổi tương tự sang số (A/D)

- Brown_out Reset (BOR)

- Module so sánh về tương tự:

 Hai bộ so sánh tương tự

 Module điện áp chuẩn VREF có thể lập trình trên PIC.

Có thể lập trình ngõ vào đến từ những ngõ vào của PIC và trên điện áp bên trong.Những ngõ ra của bộ so sánh có thể sử dụng cho bên ngoài

2.1.5 Các đặc điểm đặc biệt của vi điều khiển Pic

 Có thề ghi/xóa tới 100.000 lần với kiểu bộ nhớ chương trình Enhanced Flash

 1000.000 lần ghi/xóa với kiểu bộ nhớ EPROM

 EPROM có thể lưu trữ dữ liệu hơn 40 năm

 Có thể lập trình lại dưới sự điều khiển của phần mềm

 Mạch lập trình nối tiếp qua hai chân

 Nguồn đơn 5V cấp cho mạch lập trình nối tiếp

 Watchdog Timer (WDT) với bộ dao dộng RC tích hợp sẵn trên Chip cho hoạt độngđáng tin cậy

 Có thể lập trình màng bảo vệ

 Tiết kiệm năng lượng với chế độ Sleep

 Có thể lựa chọn bộ dao động

2.2 Giới thiệu về PIC16F8XX và PIC16F877A:

PIC16F8XX lò nhóm PIC trong họ PIC16FXX của họ vi điều khiển 8_bit, tiêu tốnnăng lượng thấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, chống tĩnh điện tuyệtđối Bao gồm các nhóm sau:

là 14_bit và bus dữ liệu 8_bit cách biệt nhau Tất cả các lệnh điều mất một chu kỳ lệnh,ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh chương trình mất hai chu kỳ lệnh Chỉ có 35 lệnh và mộtlượng lớn các thanh ghi cho phép đáp ứng cao trong ứng dụng

Họ PIC16F8XX có nhiều tính năng đặc biệt làm giảm các thiết bị ngoại vi, vì vậykinh tế cao, có hệ thống nổi bật đáng tin cậy và sự tiêu thụ năng lượng thấp Ở dây có

bốn sự lựa chọn bộ dao động và chỉ có chân kết nối bộ dao dộng RC nên có giải pháp tiếtkiệm cao Chế độ SLEEP tiết kiệm nguồn và có thể được đánh thức bởi các nguồn reset.

Và còn nhiều phần khác đó được giới thiệu bên trên sẽ được nói ở các phần kế tiếp PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân,

bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường) Cấu trúc tổng quát của PIC16F877Anhư sau:

 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 Timer 2)

 Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm nănglượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

 2 bô CCP (Capture / Compare/ PWM)

 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào

 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

 1 bộ định thời giám sát (WatchDog 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

 35 tập lệnh có độ dài 14 bits

 Tần số hoạt động tối đa 20MHz

2.2.1 Các đặc tính ngoại vi bao gồm

 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 vàoxung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

 Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

 Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 CS ở 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

 Cổng 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 chươngtrình 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

 Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

2.2.2 Sơ lược về vi điều khiển PIC 16F877A:

- Sơ đồ chân :

Hình 2.1: Sơ đồ khối PIC 16F877A – 40Pin

2.2.3 Cấu trúc phần cứng của PIC 16F877A:

PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent computer” do hãng GeneralInstrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ Hãng Micrchip tiếp tục pháttriển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau

PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hếttất cả các ứng dụng thực tế Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC cóthể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình

 Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau :

o 5 port vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

o 2 bộ định thời Timer0 và Timer2 8 bit

o 1 bộ định thời Timer1 16 bit có thể hoạt động ở cả chế độ tiết kiệm năng lượng vớinguồn xung clock ngoài

o 2 bộ Capture/ Compare/ PWM

o 1 bộ biến đổi Analog -> Digital 10 bit, 8 ngõ vào

o 2 bộ so sánh tương tự

o 1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

o 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển

Để mã hóa được địa chỉ 8K word bộ nhớ chương trình, thanh ghi đếm chương trình

PC có dung lượng 13 bit

Khi vi điều khiển reset, bộ đếm chương trình sẽ trỏ về địa chỉ 0000h Khi có ngắtxảy ra thì thanh ghi PC sẽ trỏ đến địa chỉ 0004h

Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ Stack và không được địa chỉ hóa bởi

bộ đếm chương trình

2.2.4.2 Bộ nhớ dữ liệu

Bộ nhớ dữ liệu của PIC l bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank

Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được chia thành 4 bank Mỗi bank có dụng lượng

128 byte

Nếu như 2 bank bộ nhớ dữ liệu của 8051 phân chia riêng biệt : 128 byte đầu tiênthuộc bank1 là vùng Ram nội chỉ để chứa dữ liệu, 128 byte còn lại thuộc bank 2 là cùngcác thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR mà người dùng không được chứa dữ liệu kháctrong đây thì 4 bank bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được tổ chức theo cách khác

Mỗi bank của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A bao gồm cả các thanh ghi có chức năngđặc biệt SFR nằm ở các các ô nhớ địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích dùng chungGPR nằm ở vùng địa chỉ còn lại của mỗi bank thanh ghi Vùng ô nhớ các thanh ghi mụcđích dùng chung này chính là nơi người dùng sẽ lưu dữ liệu trong quá trình viết chươngtrình Tất cả các biến dữ liệu nên được khai báo chứa trong vùng địa chỉ này

Trong cấu trúc bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A, các thanh ghi SFR nào mà thườngxuyên được sử dụng (như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cả các bank để thuận tiệntrong việc truy xuất Sở dĩ như vậy là vì, để truy xuất một thanh ghi nào đó trong bộ nhớcủa 16F877A ta cần phải khai báo đúng bank chứa thanh ghi đó, việc đặt các thanh ghi sửdụng thường xuyên giúp ta thuận tiện hơn rất nhiều trong quá trình truy xuất, làm giảmlệnh chương trình

Hình 2.3: Bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A

Dựa trên sơ đồ 4 bank bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A ta rút ra các nhận xét như sau:

 Bank0 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 00h đến 77h, trong đó các thanh ghi dùngchung để chứa dữ liệu của người dùng địa chỉ từ 20h đến 7Fh Các thanh ghi PORTA,PORTB, PORTC, PORTD, PORTE đều chứa ở bank0, do đó để truy xuất dữ liệu cácthanh ghi này ta phải chuyển đến bank0 Ngoài ra một vài các thanh ghi thông dụng khác( sẽ giới thiệu sau) cũng chứa ở bank0

 Bank1 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 80h đến FFh Các thanh ghi dùng chung có địachỉ từ A0h đến EFh Các thanh ghi TRISA, TRISB, TRISC, TRISD, TRISE cũng đượcchứa ở bank1

 Tương tự ta có thể suy ra các nhận xét cho bank2 và bank3 dựa trên sơ đồtrên.Cũng quan sát trên sơ đồ, ta nhận thấy thanh ghi STATUS, FSR… có mặt trên cả 4bank Một điều quan trọng cần nhắc lại trong việc truy xuất dữ liệu của PIC16F877A là:phải khai báo đúng bank chứa thanh ghi đó Nếu thanh ghi nào mà 4 bank đều chứa thìkhông cần phải chuyển bank

2.2.5 Khái quát chức năng các Port trong vi điều khiển PIC 16F877A:

Cổng xuất nhập (I/O port) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tácvới 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 trongmỗi cổng có thể khác nhau Bên cạnh đó, do vi điều khiển được tích hợp sẵn bên trongcác 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 cácđặc tính ngoại vi nêu trên đối với thế giới bên ngoài Chức năng của từng chân xuất nhậptrong mỗi cổng hoàn toàn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanhghi SFR liên quan đến chân xuất Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập:PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE

2.3 Các linh kiện sử dụng trong mạch

2.3.1 LCD 16TC2A

 LCD (Liquid Crytal Direct) TC16C2 là màn hình hiển thị thể lỏng gồm có:

- LCD

- Bộ Driver (Mạch điều khiển )

Màn hình LCD và bộ Driver đã được thiết kế tích hợp sẵn với nhau bởi nhà sảnxuất,khi sử dụng chỉ cần giao tiếp với bộ Driver qua các chân LCD TC16C2 Là loại màn