Thiết kế hệ thống điều khiển cửa tự động sử dụng ATmega16

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮTADC Analog – Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ALU Arithmetic Logic Unit Bộ phận trong bộ xử lý trung tâmAVR Automatic Voltage Regu

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog – Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự sang tín hiệu số

ALU Arithmetic Logic Unit Bộ phận trong bộ xử lý trung

tâmAVR Automatic Voltage Regulator Tự động điều áp

CISC Complex Intruction Set Computer Cấu trúc vi xử lý với tập lệnh

phức tạpCPU Central Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâm

IMR Interrupt Mask Register Thanh ghi mặt nạ ngắt

ISR Interrupt Service Register Thanh ghi phục vụ ngắt

OCR Output Compare Register Giá trị so sánh đầu ra

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình

được

PWM Pulse Width Modulation Phương pháp điều chỉnh điện

áp ra tảiRAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

RISC Reduced Intruction Set Computer Cấu trúc vi xử lý với tập lệnh

đơn giản hóaSDU Serial Data Unit Đơn vị dữ liệu/Byte dữ liệu

TCCR Timer/Counter Control Register Thanh ghi điều khiển hoạt

động của Timer/CounterTCNT Timer/Counter Register Thanh ghi chứa giá trị vận

hành của Timer/CounterTIFR Timer/Counter Interrupt Flag Register Thanh ghi cờ ngắt cho T/C

TIMSK Timer/Counter Interrupt Mask

Register

Thanh ghi mặt nạ ngắt cho tất

cả Timer/CounterTTL Transistor – Transistor Logic Chuẩn giao tiếp nối tiếp

UART Universal Asynchronous Receiver

Transmitter

Bộ truyền nhận tín hiệu không đồng bộ

USART

Universal – Synchronous Asynchronous serial Receiver &

Transmitter

Bộ truyền nhận tín hiệu đồng

bộ và không đồng bộWGM Wave Generation Mode Chế độ chọn dạng sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển của kinh tế, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các hệthống tự động điều khiển và giám sát thông minh đã được ứng dụng để phục vụ đờisống con người Trong đó hệ thống điều khiển cửa tự động là một trong những hệthống thông minh thường gặp nhất Hiện nay thị trường cửa tự động đang được pháttriển mạnh mẽ với thiết kế đa dạng phong phú Hệ thống cửa tự động thường được lắpđặt tại các tòa nhà cao tầng, các trung tâm thương mại và trường học Đó là những nơi

có đông người ra vào, vì vậy hoạt động của hệ thống điều khiển phải có tính thôngminh và tự động hóa cao Trong các mạch điều khiển thì bộ phận không thể thiếu đó làtrung tâm điều khiển Trung tâm điều khiển thường là các vi xử lý, vi điều khiển hayPLC

Trong quá học tập tại trường Đại học Thành Đô, em đã được biết đến các loại

vi điều khiển như: 8051, 8052, ATmega16…Với mong muốn tìm hiểu sâu hơn và tự

mình thiết kế hệ thống điều khiển cửa tự động nên em đã chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cửa tự động sử dụng ATmega16”.

Nội dung của đồ án gồm những phần sau:

- Chương 1: Giới thiệu khái quát về hệ thống điều khiển cửa tự động

- Chương 2: Phân tích và thiết kế phần cứng cho hệ thống điều khiển cửa tự động

- Chương 3: Lập trình điều khiển cho hệ thống cửa tự động

Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa CNKT Điện Tử - ViễnThông, Trường Đại Học Thành Đô Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo

hướng dẫn Th.S Lê Văn Thân đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho em trong

suốt quá trình thực hiện đồ án này Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình,bạn bè đã cổ vũ, động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gianqua

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2014 Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Thành Quân

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu về hệ thống cửa tự động

Với sự phát triển của kinh tế, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các hệ thống tựđộng điều khiển và giám sát thông minh đã được ứng dụng để phục vụ đời sống conngười

Các hệ thống thông minh như camera giám sát, hệ thống thang máy, hệ thốngcửa đóng mở tự động… chúng ta có thể bắt gặp chúng thường xuyên ở các tòa nhà caotầng, siêu thị, bệnh viện trường học… Trong đó hệ thống điều khiển cửa tự động làmột trong những hệ thống thông minh thường gặp nhất Hiện nay thị trường cửa tựđộng đang được phát triển mạnh mẽ với thiết kế đa dạng phong phú Với mong muốntìm hiểu sâu hơn và tự mình thiết kế hệ thống điều khiển cửa tự động nên em đã chọn

đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cửa tự động sử dụng ATmega16”.

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về một số hệ thống cửa tự động:

1.1.1 Cửa tự động xoay

Cửa tự động xoay tròn có 2 loại là cửa tự động xoay 3 hoặc 4 cánh được dùngtại các ngân hàng, khách sạn, những tòa nhà có lưu lượng người qua lại lớn, tốc độ lưuthông cao nhưng vẫn đảm bảo tách biệt giữa môi trường bên trong và bên ngoài, giữnhiệt và tránh gió bụi… Cửa có thể làm việc tự động hoàn toàn, trợ lực tự động (có sựtrợ giúp của động cơ điện để xoay cửa) Khung cửa được làm bằng nhôm hợp kim nênbền, đẹp và nhẹ

Cửa được gắn mắt thần cảm biến, khi có người tới gần cửa tự động hoạt động.Khi không có người qua lại, cửa sẽ dừng ở trạng thái đóng để tiết kiệm năng lượng Hệthống cảm biến đảm bảo an toàn cho người đi qua, khi vướng hành lý hoặc người đivào buồng cửa thì cửa sẽ dừng quay, sau khi hết vật cản thì cửa mới quay tiếp

Hình 1.1: Hệ thống cửa tự động xoay 4 cánh

Cửa có các chế độ làm việc thông minh như:

- Ban đêm: Tất cả các sensor đều không hoạt động, cửa được đóng và giữ bằnglực của phanh điện

- Thích nghi: Bình thường cửa quay liên tục với tốc độ chậm, khi có người vàovùng phát hiện của radar thì cửa xoay theo tốc độ phù hợp với di chuyển của người (2tốc độ này được cài đặt từ trước)

- Tự động: Bình thường cửa dừng, khi có người tới gần, cửa sẽ tự động quay đểngười đi qua

- Một chiều: Chỉ cho phép đi 1 chiều từ trong ra ngoài hoặc ngược lại

- Bằng tay: Xoay cửa bằng tay, với tốc độ được kiểm soát không cho phép xoayquá nhanh (tránh xoay tự nhiên quá nhanh bởi tác động của gió)

Cửa có các chế độ làm việc thông minh như:

- Tự động: cửa tự động mở khi có người qua rồi tự động đóng lại

- Mở một chiều: dành cho các cửa hàng, siêu thị Khi đó chỉ cho phép người điqua một chiều từ bên trong ra.

- Ban đêm: khóa hoàn toàn chỉ mở được bằng chìa khóa

1.1.3 Hệ thống cửa tự động trượt gấp

Cửa tự động trượt gấp rất uốn lượn và mềm dẻo khi vận hành với sự đóng mở

từ 2 chiều, linh động dù người ra hay vào Hệ thống trượt gấp giúp tiết kiệm khônggian trong nhà hơn

Hình 1.3: Hệ thống cửa tự động gấp

Cửa tự động trượt gấp có các chức năng cơ bản sau:

- Tự động đóng mở cửa với những chế độ cài đặt trước

- Tự động dò tìm hỏng hóc và thông báo khi có sự cố

- Phát hiện ra chướng ngại vật theo hai hướng đóng và mở, mở cửa với mộtkhoảng thời gian dừng an toàn, giảm tốc độ khi cửa gần đóng lại hoàn toàn

- Tự động mở cửa tối đa khi có dòng người đi từ hai phía

- Điều khiển bằng Panel, cảm biến, nút bấm giúp người vận hành thao tác đơngiản, dễ dàng

Ưu điểm nổi bật của cửa tự động trượt gấp:

- Bộ truyền động có kích thước nhỏ gọn, công suất cao, không chiếm nhiềukhông gian lắp đặt

- Tốc độ đóng mở cao, êm và có thể điều chỉnh được, tăng hiệu quả sử dụng

- Hệ thống khung nhôm bảo vệ kính

- Có hệ thống gioăng phớt làm kín cả phần giữa và lưng cửa giúp cách âm, cáchnhiệt tốt, tiết kiệm điện điều hòa hơn

- Sensor cảm biến bằng chuyển động, bất kỳ người hay vật chuyển động, cửađều nhận biết được, tính năng cao và an toàn hơn

Khối công suất(Mạch cầu H)

Khối chấp hành(Motor DC, cơ khí)

MCU(Micro Control Unit)

Khối cảm biến

Khối điều khiển

(Keypad)

Khối nguồn(Power)

Khối hiển thị

(LCD)

- Thường có từ một đến hai bộ cảm biến an toàn để tránh đóng cửa khi có ngườihay vật chưa qua khỏi cửa

- Ray cửa có cao su lót ray để giảm ồn

- Khung của bộ truyền động chính đồng nhất suốt chiều dài cửa

1.1.4 Sơ đồ khối của hệ thống

Trong các hệ thống cửa tự động đã được trình bày ở trên, hệ thống điều khiển sẽphụ thuộc vào từng loại cửa và giá thành của chúng Tuy nhiên về cơ bản thì hệ thốngđiều khiển cửa gồm những khối cơ bản sau:

Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển

Chức năng của các khối:

Khối nguồn (Power): Tạo ra các mức điện áp khác nhau để cung cấp nguồnđiện cho các khối khác hoạt động

Khối vi điều khiển MCU (Micro Control Unit): Thu nhận tín hiệu cảm biến vàđiều khiển hoạt động của hệ thống theo các chương trình được lập trình sẵn

Khối điều khiển (Keypad): Nhập tín hiệu điều khiển từ bàn phím vào trong chíp

vi điều khiển Khối này thường được sử dụng để cài đặt các chế độ hoạt động cho hệthống

Khối cảm biến: Sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiệndiện của vật thể, cấp tín hiệu điều khiển vào vi điều khiển Khối này thường dùng cáccảm biến quang để phát hiện vật thể di chuyển, khi có vật thể đến lại gần thì sẽ có tínhiệu gửi về cho vi điều khiển hoạt động Ngoài ra, khối này còn có các công tắc hànhtrình để phát hiện vị trí cửa cửa khi di chuyển hết hành trình

Khối công suất (Mạch cầu H): Điều khiển hoạt động cho khối chấp hành (điều

Khối chấp hành (Motor DC và phần cơ khí): Làm việc theo tín hiệu đưa vào từkhối công suất.

Phần tiếp theo của chương 1 sẽ giới thiệu cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạtđộng của các thiết bị được sử dụng trong hệ thống

1.2 Động cơ DC và cách điều khiển động cơ bằng xung PWM

Trong rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiều với nhữngmức công suất to nhỏ khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động của nó

Động cơ điện một chiều dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng, hay cơ năngthành điện năng

Động cơ điện một chiều có rất nhiều loại như: động cơ điện một chiều kích từđộc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp hay kích từ bằng namchâm vĩnh cửu Hình 1.4 giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều thường gặp

Ngày nay động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong cácdây truyền thiết bị, các cơ cấu vận hành như thang máy, máy nâng… Nó đóng vai tròquan trọng và cần thiết trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa Với cấu tạokhông quá phức tạp và khó khăn cho chúng ta chế tạo và sửa chữa Góp phần cải thiệncuộc sống cũng như sức lao động của con người

Hình 1.5: Một số loại động cơ điện một chiều

1.2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều được cấu tạo gồm các phần chính: stato với cực từ, rotovới dây quấn và cổ góp với chổi than

Hình 1.6: Cấu tạo của động cơ một chiều DC

Hình 1.8: Cấu tạo của Roto

c) Cổ góp và chổi điện

Cổ góp và chổi điện có vai trò nối khung dây của Roto với các điện cực cố địnhtrên thân động cơ để dễ dàng cung cấp dòng điện cho động cơ hoạt động hoặt lấy điện

ra khi hoạt động ở chế độ máy phát

Hình 1.9: Cấu tạo cổ góp và chổi than

Cổ góp gồm nhiều phiến đồng ghép lại có cách điện, có dạng hình trụ, gắn ởđầu trục roto Chổi than làm bằng than graphit Các chổi than tỳ sát lên cổ góp nhờ lò

xo và chổi than gắn trên nắp máy

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều thường hoạt động ở 2 chế độ hoạt động chính:

a) Chế độ máy phát

Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từtrường của cực từ, cảm ứng các sức điện động Chiều sức điện động cảm ứng xác địnhtheo quy tắc bàn tay phải Như hình vẽ từ trường hướng từ cực N đến cực S (từ trênxuống dưới), chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên,sức điện động có chiều từ b đến a Ở thanh dẫn phái dưới sức điện động có chiều từ d

đến c Sức điện động phần tử bằng hai lần sức điện động thanh dẫn Nếu nối hai chổithan A và B với tải, trên tải có dòng điện, điện áp máy phát có cực dương ở chổi than

A và cực âm ở chổi than B

Hình 1.10: Chiều của sức điện động cảm ứng

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab ở cực S,thanh dc ở cực N, sức điện động thanh dẫn đổi chiều Nhờ có chổi điện đứng yên chổiđiện A vẫn nối phiến góp phía trên, chổi than B nối phiên góp phía dưới, nên chiềudòng điện ở mạch ngoài không đổi Ta có máy phát điện một chiều với cực dương chổithan A, cực âm chổi than B Để điện áp lớn và ít đập mạch, dây quấn phải có nhiềuphần tử, nhiều phiến đổi chiều Ở chế độ máy phát điện dòng điện phần ứng Iư cùngchiều với sức điện động phần ứng Eư

Phương trình cân bằng điện áp trên hai cực của máy phát sẽ là:

Trong đó: Eư: sức điện động cảm ứng (V)

Iư: dòng điện cảm ứng (A)

Rư: điện trở cảm ứng (Ω).)

b) Chế độ động cơ điện

Khi cho điện áp U vào chổi than A và B, trong dây quấn phần ứng códòng điện Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực tácdụng làm cho roto quay Chiều lực từ xác định theo quy tắc bàn tay trái

Hình 1.11: Nguyên lý hoạt động ở chế độ động cơ điện

Pha 1: Từ trường của Roto cùng cực với Stato sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển độngquay của Roto

Pha 2: Roto tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa Stato và Roto cùngchiều và trở lại pha 1

Hình 1.12: Chiều quay của Roto

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau,

do có phiến góp, đổi chiều dòng điện, giữ cho lực tác dụng không đổi, đảm bảo động

cơ có chiều không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư.Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở chế độ động cơ điện chiềusức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư, nên Eư còn gọi là sức phản điện

Phương trình cân bằng điện áp sẽ là:

Khi đó công suất điện từ và momen điện từ được xác định như sau:

Pđt = Eư.Iư = a n I u

N p

, 60

2

.

, ,

n I

K I

a

N p P

r u M u

2

1.2.3 Khái niệm xung PWM

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điềuchỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi

độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về thời gian ton và thờigian toff

Hình 1.13: Đồ thị dạng xung điều chế PWM

Trên đây là đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM Với độ rộng xung đầu

ra tương ứng và được tính bằng % Tùy thích do chúng ta điều khiển.

Một tín hiệu PWM thường có chu kỳ không đổi (trừ chế độ Phase Correct andFrequency Correct PWM) Sự khác nhau giữa các tín hiệu thường do sự thay đổi thờigian ton và toff Dễ hiểu hơn là cứ thời gian ON tăng thì thời gian OFF sẽ phải giảm vàngược lại để tổng thời gian ON và thời gian OFF là không đổi, đó là chu kỳ của PWM

Một sự khác biệt của của tín hiệu sóng vuông và PWM là tín hiệu sóng vuông

có thời gian ON bằng thời gian OFF Xung vuông là một trường hợp đặc biệt củaPWM khi thời gian ON bằng với thời gian OFF Sau đây là một vài khái niệm cơ bản

về xung PWM:

Chu kỳ T =ton+toff Hiệu suất làm việc(Duty Cycle)= ton

ton+toff=D

(1.5)

t on : thời gian ON (ON time)

t off : thời gian OFF (OFF time)

Chu kỳ T (Time period) = thời gian ton (ON time) + thời gian toff (OFF time) và

là hằng số, một lần nữa ta có thể thấy trong công thức nếu thời gian ON tăng thì thờigian OFF sẽ giảm để tổng của chúng là hằng số

Và người ta đưa ra thêm một khái niệm là hiệu suất làm việc (duty cycle) Côngthức tính như trên Nó có nghĩa là tỷ số thời gian xung ON trên chu kỳ Thường thìtính theo đơn vị phần trăm (%)

Xét tín hiệu xung như hình vẽ:

Điện áp trung bình của tín hiệu là:

Nếu D (Duty Cycle) càng lớn thì điện áp trung bình càng cao

Sau đây là ví dụ đóng cắt của một van bán dẫn Dùng van đóng cắt bằngMosfet

Hình 1.14: Sơ đồ đóng cắt bằng Mosfet

M: là động cơ DC, tốc độ quay phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy quacuộn dây trong động cơ (Id)

Q1: là MOSFET kênh N, có tác dụng là khóa điện tử.

Hình 1.14: Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

Trên đây là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung củachân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

Nguyên lý: Trong khoảng thời gian 0 – t0 ta cho van G mở toàn bộ điện ápnguồn Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian t0 - T cho van G khóa, cắtnguồn cung cấp cho tải Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ,một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở) còn T là thời gian của cả sườn

âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

=> Ud = Umax.( t1/T) (V)

hay Ud = Umax.D

với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM

Như vậy nhìn trên đồ thị dạng điều chế xung thì ta có: Điện áp trung bình trêntải sẽ là :

+ Ud = 12.20% = 2.4V (với D = 20%)

+ Ud = 12.40% = 4.8V (với D = 40%)

+ Ud = 12.90% = 10.8V (với D = 90%)

1.3 Cảm biến quang

1.3.1 Khái niệm về cảm biến quang

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đạilượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được

Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất,trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chấtđiện như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin chophép xác định giá trị của đại lượng đó

Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)

Cảm biến quang điện có khả năng phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau: nhưchai nhựa, chai thủy tinh, thùng giấy, linh kiện điện tử, vật thể kim loại, gỗ Đây làthiết bị được sử dụng phổ biến trong tự động hóa và điện tử công nghiệp

Đặc điểm của cảm biến quang điện:

Phát hiện vật từ khoảng cách xa lên đến 20m, không bị hao mòn, có tuổi thọcao, thời gian đáp ứng nhanh, phát hiện mọi loại vật thể

1.3.2 Cấu tạo của cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện cấu tạo gồm 3 phần chính:

a) Bộ phát sáng:

Bộ phát sáng của cảm biến quang hiện nay thường dùng là các đèn LED Ánhsáng được phát ra theo xung Tần số xung sẽ giúp cảm biến phân biệt được ánh sángcủa cảm biến phát ra và ánh sáng từ các nguồn khác Các loại LED thông dụng nhất là

LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LEDtrắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng.

1.3.3 Các chế độ hoạt động của cảm biến quang

Cảm biến quang có 4 chế độ hoạt động cụ thể sau:

Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt

Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt

b) Chế độ phản xạ gương

Các cảm biến trong chế độ này thì bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phảnchiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến Nếu vật thể xenvào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra

Cảm biến quang phản xạ gương là dạng cảm biến quang phổ biến nhất trongcông nghiệp Loại này có sự kết hợp tốt các yếu tố như phát hiện tin cậy, khoảng cáchvừa đủ và giá thành hợp lý

Ưu điểm:

- Giá thành thấp hơn loại thu phát

- Lắp đặt dễ hơn loại thu phát

- Chỉnh định dễ dàng

- Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được,

có thể dùng kính lọc phân cực

Nhược điểm:

- Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m)

- Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương

- Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ởmột số khoảng cách ngắn nhất định

Ứng dụng:

- Phát hiện vật trên băng chuyền

- Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy

- Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)

- Kiểm soát cửa/cổng ra vào trong các tòa nhà

c) Chế độ phản xạ khuếch tán

Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể Vật này sẽ phản xạlại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kíchhoạt tín hiệu ra

Ưu điểm: Lắp đặt đơn giản, dễ dàng, chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất.

Nhược điểm:

- Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phảnxạ) Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện tối đa 1m

- Tỉ lệ lỗi đen/trắng cao: khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc,

kích thước, tính chất bề mặt của vật thể Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn

nếu có nền màu đen sau vật Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại thu phát và phản xạgương

- Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắpđặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán

Ứng dụng:

- Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy: như phát hiện vật trên băng chuyền

- Công nghiệp chế tạo gạch men (dùng loại nguồn sáng rộng)

d) Chế độ hạn chế nhiễu của nền (BGS)

Đây là cảm biến phản xạ khuếch tán đặc biệt Trong khi loại thường phát hiện

tổng lượng ánh sáng nhận được, loại BGS phát hiện góc của ánh sáng phản xạ Công

nghệ này có tên là triangulation (phép đạc tam giác) Bởi vậy, độ nhạy của cảm biến sẽkhông phụ thuộc vào màu sắc vật hay nền sau vật

Để làm điều này, cảm biến dùng 2 điôt cho bộ thu hoặc 1 mạch điôt/PSD

Ưu điểm: Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất Có độ chính xác và tin cậy cao hơn loại

phản xạ thường (bị lỗi trắng/đen) Có thể chỉnh khoảng cách phát hiện ở 1 mức nhấtđịnh

Nhược điểm:

- Khoảng cách phát hiện ngắn: ví dụ E3Z-LS: chỉ được tối đa 200mm

- Cảm biến BGS ngày càng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp vìkhông cần gương và phát hiện tin cậy Thông thường cảm biến BGS lắp đặt bên cạnhhoặc bên trên băng chuyền

1.4 Giới thiệu về vi điều khiển ATmega16

Trong các mạch điều khiển thì bộ phận không thể thiếu đó là bộ điều khiểntrung tâm Bộ điều khiển trung tâm có thể là các vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC.Trong đồ án này, bộ điều khiển trung tâm được vi điều khiển ATmega16 đảm nhiệm

1.4.1 Khái quát các tính năng

Hình 1.16: Sơ đồ cấu trúc của ATmega16

ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC Với khả năng thựchiện mỗi lệnh trong vòng 1 chu kỳ xung Clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ tối

đa 1MIPS/Mhz (1 triệu lệnh/s/MHz)

Atmega16 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng dựa trên kiến trúcRISC (Reduced Intruction Set Computer) Vào ra Analog – Digital và ngược lại Vớicông nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ

xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1 Mhz Vi điều khiển nàycho phép người thiết kế có thể tối ưu hóa chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảotốc độ xử lý

Atmega16 có tập lệnh phong phú về số lượng với 32 thanh ghi làm việc đanăng Toàn bộ 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit),cho phép truy cập 2 thanh ghi độc lập bằng một chu kì xung nhịp Kiến trúc đạt được

cố tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC (Complex Intruction SetComputer), thông thường

Khi sử dụng vi điều khiển Atmega16, có rất nhiều phần mềm được dùng để lậptrình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio củaAtmel, trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C, Atmel Studio… Trình dịch C

đã được nhiều người dùng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với nhữngngười bắt đầu tìm hiểu AVR, đó trình dịch CodeVisionAVR C Phần mềm này hỗ trợrất nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn

1.4.2 Đặc trưng của Atmega16

Atmelga16L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khácthì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điềukhiển

 Hiệu suất cao (high performance), là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suấtthấp

 Cấu trúc lệnh đơn giản, thời gian thực thi lệnh như nhau

o 130 lệnh thực thi trong vòng 1 chu kì chip

o 32x8 thanh ghi công dụng chung

o Đầy đủ các xử lý tĩnh

o Hỗ trợ 16 MIPS khi hoạt động ở tần số 16 Mhz

o Tích hợp bộ nhân 2 thực hiện trong 2 chu kì chip

 Bộ nhớ chương trình và dữ liệu không bay hơi

o 16K byte trong hệ thống flash khả trình có thể nạp và xóa 1000 lần

o Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệ thốngbằng cách vào chương trình khởi động chip

o 512 byte EEPROM có thể ghi và xóa 100.000 lần

o Lập trình khóa cho phần mềm bảo mật

 Tính năng ngoại vi

o 2 bộ timers/counters 8 bit với các chế độ đếm riêng rẽ và kiểu so sánh

o 1 bộ timer/counter 16 bit với các chế độ đếm riêng rẽ, kiểu so sánh vàkiểu bắt sự kiện

o Bộ đếm thời gian thực với máy tính dao động riêng rẽ

o 4 kênh băm xung PWM

o 8 kênh ADC 10 bit

o Byte định hướng 2 đường giao tiếp nối tiếp

o Giao tiếp USART nối tiếp khả trình

o Giao tiếp SPI nối tiếp chủ/tớ

o Bộ định thời khả trình giám sát xung nhịp của 1 chip 1 cách riêng rẽ

o Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự.

 Giao tiếp JTAG

 Các tính năng đặc biệt của vi điều khiển

o Chế độ bật nguồn reset và phát hiện Brown – Out khả trình

o Tích hợp mạch dao động RC bên trong

 Tốc độ xung nhịp dùng cho chip: 0 – 16 Mhz cho Atmega16

1.4.3 Sơ đồ chân của ATmega16

Hình 1.17: Sơ đồ chân của chip ATmega16.

Chân 2: (T1) ngõ vào của bộ đếm counter 1

Chân 3: (AIN/INT2) AIN0: ngõ vào Prossitive của bộ so sánh analog, INT2:ngõ ngắt ngoài 2

Chân 4: OC0/AIN1: AIN1 là ngõ vào Negative của bộ so sánh analog, OC0 làngõ ra so sánh của Timer/Counter 0.

Chân 5: SS là ngõ vào chọn slave của SPI

Chân 6: MOSI: Master output/ Slave input của SPI

Chân 7: MISO: Master input/ Slave output của SPI

Chân 8: SCK chân clock của SPI

Chân 9: RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu

Chân 10: VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển

Chân 11, 31: GND 2 chân này được nối với nhau và nối đất

Chân 12, 13: 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên ngoàivào chip

Chân 14: RXD ngõ vào USART

Chân 15: TXD ngõ ra USART

Chân 16: INT0 ngõ vào ngắt ngoài 0

Chân 17: INT1 ngõ vào ngắt ngoài 1

Chân 18: OC1B ngõ ra so sánh B của Timer/Counter1

Chân 19: OC1A ngõ ra so sánh A của Timer/Counter 1

Chân 20: ICP1 chân bắt mẫu của Timer/Counter 1

Chân 21: OC2 ngõ so sánh Timer/Counter 2

Chân 22 đến 29: Cổng nhập xuất dữ liệu song song C (PORTC) nó có thể được

sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

Chân 22: SCL chân Clock của giao thức Two – Wire

Chân 23: SDA chân data I/O của giao thức Two – Wire

Chân 24: TCK chân Clock test JTAG

Chân 25: TMS chân chọn mode test JTAG

Chân 26: TDO chân data out mode test JTAG

Chân 27: TD1 chân data in mode test JTAG

Chân 28: TOSC1 chân 1 bộ dao động Timer 1

Chân 29: TOSC2 chân 2 bộ dao động Timer 2

Chân 30: AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC

Chân 32: AREF cấp điện áp so sánh tín hiệu vào ADC

Chân 33 đến 40: Cổng vào ra dữ liệu song song A (PORTA) ngoài ra nó cònđược tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC (Analog to digitalconverter)

1.5 Giới thiệu về Text LCD

Để giúp hệ thống thân thiện với người dùng th́ hệ thống thường có các bộ phậngiao tiếp với người dùng như: màn hình cảm ứng hay text LCD

LCD 16L là các loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng chữhoặc số trong bảng mã ASCII Không giống các loại LCD lớn, LCD 16L được chiasẵn thành từng ô và ứng với mỗi ô chỉ có thể hiển thị một ký tự ASCII Cũng vì lý dochỉ hiện thị được ký tự ASCII nên LCD 16L này được gọi là Text LCD (để phân biệtvới Graphic LCD có thể hiển thị hình ảnh) Mỗi ô của LCD 16L bao gồm các “chấm”tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” và “hiện” các chấm này sẽ tạo thành một ký tự cầnhiển thị Trong LCD 16L, các mẫu ký tự được định nghĩa sẵn Kích thước của LCD16L được định nghĩa bằng 16 ký tự có thể hiển thị trên 1 dòng và có tổng số 2 dòng

Hình 1.18: LCD 16L.

Text LCD 16x2 khi sản xuất đã được tích hợp sẵn chip HD44780 của hãngHitachi HD44780U là bộ điều khiển cho các Text LCD dạng ma trận điểm (dot-matrix), chip này có thể được dùng cho các LCD có 1 hoặc 2 dòng hiển thị.HD44780U có 2 mode giao tiếp là 4 bit và 8 bit Nó chứa sẵn 208 ký tự mẫu kíchthước font 5x8 và 32 ký tự mẫu font 5x10 (tổng cộng là 240 ký tự mẫu khác nhau)

1.6 Công cụ thiết kế mạch và lập trình cho vi điều khiển

1.6.1 Phần mềm thiết kế mạch Altium Designer

Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer là một môi trường thiết kếđiện tử đồng nhất, tích hợp cả thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in PCB, lập trình hệthống nhúng và FPGA

Hình 1.19: Giao diện chính của phần mềm Altium Designer

Các điểm đặc trưng của Altium Designer:

Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lýfile, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế

Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu,phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch,linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới

Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện,netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…

Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất

cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…

Đặt và sửa đối tượng trên các lớp mạch nguyên lý, định nghĩa các luật thiết kế,tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trênPCB

Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong khônggian 3 chiều, hỗ trợ MCAD – ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm trakhoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D

Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại

Có thể thấy rằng Altium Designer có nhiều điểm mạnh so với các phần mềm khác như đặt luật thiết kế, quản lý dự án dễ dàng, giao diện thân thiện…

1.6.2 Trình biên dịch AVRStudio

AVRStudio là một bộ phần mềm do hãng ATmel phát triển sử dụng choviệc soạn thảo và biên dịch chương trình dành cho các vi điều khiển thuộc họ AVRbằng ngôn ngữ C và Assembly.

Hình 1.20: Giao diện chính của AVRStudio

Hiện nay AVR Studio đã phát triển đến phiên bản 6 (gọi là ATmel Studio),trong phạm vi bài báo cáo này chỉ giới thiệu về AVR Studio 6 (đây là phiên bản kháphổ biến trong giới lập trình AVR)

1.6.3 Phần mềm mô phỏng Proteus 7.8

Phần mềm Proteus VSM được viết bởi công ty Labcenter Electronics Proteus

đã được sử dụng rộng rãi trên 35 quốc gia Proteus tự khẳng định thế mạnh của nó về

mô phỏng các mạch nguyên lý sát với thực tế, trên 12 năm càng ngày nó càng đượchoàn thiện và phát triển mạnh Proteus cung cấp cho người sử dụng hầu như toàn bộcác linh kiện điện tử để người dung có thể tạo ra được các mạch nguyên lý và sau cùng

là mạch đơn giản cũng như các mạch phức tạp nên có thể dung nó trong giảng dạy,trong các phòng thí nghiệm điện tử cũng như trong thực hành vi xử lý…

Hình 1.21: Giao diện chính của phần mềm Proteus 7.8

Phần mềm Proteus chạy trong môi trường Windows 32/64 bit, yêu cầu của nó

về phần cứng cũng đơn giản, CPU 300MHz trở lên

Ưu điểm của phần mềm Proteus:

Dễ dàng tạo ra một sơ đồ nguyên lý đơn giản từ các mạch điện đơn giản đến cácmạch có bộ lập trình vi xử lý

Dễ dàng chỉnh sửa các đặc tính của linh kiện trên sơ đồ nguyên lý: Chỉnh sửa sốbước của động cơ bước, chỉnh sửa nguồn nuôi cho mạch, thay đổi tần số hoạt động cơbản của vi xử lý…

Công cụ hỗ trợ kiểm tra lỗi thiết kế trên sơ đồ nguyên lý Xem và lưu lại phầnbáo lỗi

Chạy mô phỏng và phân tích các tính chất của mạch điện cơ bản Công cụ hỗtrợ cho việc chạy và mô phỏng rất mạnh và chính xác Các công cụ đồ thị hỗ trợ mạnhcho việc phân tích tần số, sóng, âm thanh… không những thế phần mềm còn có thêmcác máy phân tích từ đơn giản như: đồng hồ đo Vol, Ampe, dến các máy đo dao động,máy tạo sóng dao động…

Ngoài ra phần mềm Proteus còn cung cấp cho người sử dụng các công cụ mạnh

mẽ mà các phần mềm khác không có Chẳng hạn thư viện LED với các loại màu sắckhác nhau kể cả LED 7 thanh Nhưng phần hiển thị mạnh nhất mà Proteus cung cấp làLCD, nó có thể mô phỏng cho rất nhiều LCD từ đơn giản đến phức tạp

Proteus còn có thể mô phỏng công cụ thu và phát tín hiệu từ các mạch giao tiếpvới máy tính qua công cụ RS232 Trong đó người sử dụng có thể điều khiển được quátrình truyền phát, tốc độ Baud… giúp cho người lập trình có thể mô phỏng các mặt

Một điểm mạnh của Proteus là cung cấp cho người sử dụng công cụ biên dịchcho các họ vi xử lý như: MSC51, AVR, HC11… qua đó tạo ra các tệp tin HEX dùng

để nạp cho vi xử lý và tập tin DSI dùng để xem và chạy kiểm tra từng bước trongchương trình mô phỏng

Đối với các mạch vi xử lý, Proteus không những cung cấp hình ảnh thực tế củacác linh kiện mà còn cung cấp cho người lập trình rất nhiều các cửa sổ thông báo cácnội dung của bộ nhớ, con trỏ, thanh ghi…

Proteus có một thư viện khá lớn với hơn 6000 linh kiện các loại và càng ngàycàng được bổ sung Ngoài ra còn có keypad (ma trận phím tạo đơn giản cho ngườithiết kế khi cần thao tác trên các ma trận phím)

Khả năng ứng dụng của phần mềm Proteus:

Khả năng ứng dụng chính của Proteus chính là mô phỏng, phân tích các kết quả

từ các mạch nguyên lý Proteus giúp cho người sử dụng có thể thấy trước mạch thiết

kế chạy đúng sai trước khi thiết kế bo mạch

Các công cụ phục vụ cho việc phân tích mạch có độ chính xác khá cao như đoVol hay Ampe, máy đo dao động

Khả năng áp dụng chương trình Proteus vào trong giảng dạy là rất tốt cho cácthầy cô cũng như cho sinh viên học tập kỹ thuật điện tử vì hầu như Proteus cung cấpgần như đầy đủ từ cơ bản đến phức tạp cho người học điện tử và vi xử lý

Đối với các sinh viên thì Proteus giúp cho các sinh viên tự học, tự nghiên cứu

và thiết kế thử các phần đã học và chạy xem kết quả và rút ra các bài học tốt Điều cơbản nhất là tiết kiệm chi phí cho sinh viên không có điều kiện mà lại ham học hỏi cũngnhư đam mê nghiên cứu

Khả năng phân tích của Proteus:

Phân tích một mạch đơn giản

- Phân tích âm thanh

- Phân tích truyền phát dữ liệu

Phân tích quá áp, quá tải, đủ tải… Proteus cung cấp cho người sử dụng khảnăng phân tích quá tải giúp người sử dụng hình dung được khi quá tải thì ảnh hưởngđến các linh kiện như thế nào mà không cần mất chi phí cũng như an toàn tuyệt đối

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN CỬ TỰ ĐỘNG 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Trên cơ sở phân tích hoạt động các khối chức năng của hệ thống Mạch điều khiển cửa tự động được thiết kế như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống cửa tự động

Qua sơ đồ nguyên lý tổng quát của hệ thống điều khiển trên, với phần trung tâm

là chíp ATmega16 Khối nguồn cung cấp các mức điện áp khác nhau để phục vụ chotất cả các khối trong hệ thống bao gồm nguồn cấp cho vi điều khiển, nguồn cấp choLCD, khối công suất và khối cảm biến

2.2 Phân tích hoạt động của các khối

2.2.1 Khối nguồn (Power)

Hệ thống điều khiển được thiết kế để sau này có khả năng giao tiếp mở rộng vớicác module wifi, blutooth… Vì vậy ngoài yêu cầu nguồn điện chính 5V – DC chomạch vi xủ lý, mạch nguồn còn tạo ra điện áp 3,3V cho các module mở rộng

Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn

Khối nguồn

Khối vi xử lýMCU(Micro ControllerUnit)

Khối cảm biến

Khối hiển thịLCD

Khối nguồn có các chức năng cung cấp các mức điện áp một chiều cho các khốikhác trong mạch Bao gồm các mức điện áp:

+ 5V: cung cấp cho khối vi điều khiển và khối hiển thị LCD

+ 3,3V: cung cấp cho khối giao tiếp ngoài

Điện áp từ máy biến áp vào mạch qua HD1 đến công tắc S1 có nhiệm vụ đóngcắt dòng điện vào mạch Khi công tắc đóng thì dòng điện sẽ đi qua cầu diode DB1 đểchuyển đổi điện áp từ xoay chiều 220V – 50Hz (AC) sang điện áp một chiều (DC).Tuy nhiên điện áp một chiều tại đầu ra của cầu diode còn nhiều tín hiệu nhiễu vàkhông đạt các mức điện áp như người dùng mong muốn nên cần phải đưa vào bộ lọcnhiễu (tụ C2 và C4) để loại bỏ nhiễu, rồi tiếp tục cho đi qua IC LM7085 để điều chỉnhmức điện áp về mức 5V – DC Để loại bỏ hoàn toàn nhiễu trên mạch thì ta cần đưatiếp một bộ lọc nhiễu vào (tụ C3 và C5) Lúc này đã thu được điệp áp 5V – DC ở đầu

ra, đầu ra được nối với header2 (VO1) để lấy mức điện áp 5V phục vụ cho các khốikhác

Để lấy nguồn 3,3V cấp cho khối giao tiếp ngoài, điện áp 5V tiếp đi qua diodeD1 để ngăn dòng ngược đi ngược trở lại làm hỏng mạch, rồi đi qua điện trở công suất

150 Ohm R3 và diode zener để điều chỉnh điện áp về mức 3,3V

2.2.2 Khối vi điều khiển (MCU)

Sau khối nguồn phải kể đến đó là khối vi điều khiển, đây chính là mạch trungtâm điều khiển mọi hoạt động của hệ thống, mạch vi điều khiển sử dụng chípATmega16 có sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển

Khối vi điều khiển sử dụng chíp ATmega16 để điều khiển hoạt động của hệthống PORTA được thiết kế để kết nối với LCD sử dụng các chân PA.0, PA.1, PA.2,PA.4, PA.5, PA.6, PA.7 để kết nối với khối hiển thị LCD PORTB được thiết kế đểgiao tiếp với khối điều khiển (Keypad) Chân 9 của chíp ATmega16 được nối với nútnhấn thuận tiện cho người dùng muốn thiết lập lại cài đặt ban đầu của chíp Chân 12 –

13 nối với thạch anh 12Mhz để tạo dao động cho chíp 2 chân PD.2 và PD.3 (INT0,INT1) dùng làm 2 chân ngắt, được thiết kế nối với cảm biến và công tắc hành trình.Còn lại PORTC được thiết kế để nối với khối công suất

2.2.3 Khối Keypad

Tiếp theo là khối điều khiển Keypad, khối này được thiết kế nhằm mục đíchđiều khiển các chế độ của hệ thống và hiển thị lên LCD Dưới đây là sơ đồ nguyên lýcủa khối điều khiển Keypad:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của khối Keypad 4x4

Keypad không chứa tất cả bảng mã ASCII như keyboard và vì thế keypadthường được dùng trong các thiết bị chuyên dụng Các nút nhấn trên các máy tínhđiện tử cầm tay là một ví dụ về keypad Số lượng nút nhấn của một keypad thay đổiphụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng

Gọi là keypad 4x4 vì keypad này có 16 nút nhấn được bố trí dạng ma trận 4hàng và 4 cột Cách bố trí ma trận hàng và cột là cách chung mà các keypad sử dụng.Cũng giống như các ma trận LED, các nút nhấn cùng hàng và cùng cột được nối vớinhau, vì thế với keypad 4x4 sẽ có tổng cộng 8 ngõ ra (4 hàng và 4 cột)

Ở khối điều khiển Keypad em sử dụng keypad 4x4, gồm 4x4 bằng 16 nút nhấn

từ SW1 tới SW2 Keypad 4x4 gồm 4 hàng là PB.4, PB.5, PB.6, PB.7 và 4 cột PB.0,PB.1, PB.2 và PB.3 Bốn hàng của Keypad được kết nối với 4 bit thấp của PORTBPORTB.0, PORTB.1, PORTB.2, PORTB.3 thứ tự lần lượt với các hàng là PB.4, PB.5,

PB.6, PB.7 Tương tự các hàng các cột PB.0, PB.1, PB.2 và PB.3 được nối lần lượt vớiPB.4, PB.5, PB.6, PB.7 Dựa vào việc kết nối này em sẽ lập trình cho khối Keypad ởphần tiếp theo của quá trình lập trình.

2.2.4 Khối công suất (mạch cầu H)

Mạch cầu H được gọi là cầu H vì nó thường được cấu tạo bởi 4 transistor hay 4mosfet Mạch cầu H được dùng để điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều

Do thời gian làm đồ án có hạn nên em sử dụng IC L298 để thiết kế mạch công suất

IC L298 là mạch tích hợp đơn chíp có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15)

và PowerSO20 (linh kiện dán công suất) Là IC mạch cầu đôi (dual full – bridge) cókhả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao Nó được thiết kế tương thích với chuẩnTTL (Transistor - Transistor Logic) và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid,động cơ DC và dao động bước Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép/khôngcho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào Cực phát (emitter) củatransistor dưới của mỗi mạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối vớiđiện trở cảm ứng dòng khi cần Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic cóthể hoạt động ở điện áp thấp hơn

Sơ đồ chân của IC L298.

Hình 2.5: Sơ đồ chân của IC L298 Bảng 2.1: Chức năng các chân:

5;7 7;9 Input 1; Chân vào của cầu A, tương thích chuẩn TTL

Input 26;11 8;14

EnableA;

Enable B

Chân ngõ vào enable (cho phép) tương thích chuẩn TTL Mức thấp ở chân này sẽ cấm (disable) ngõ ra cầu A (đối với chân Enable A) và cầu B (đối với chân Enable B)

11;12 GND Chân đất (Ground).

9 12 Vss Chân cấp nguồn cho khối logic, cần có tụ điện

100nF nối giữa chân này với GND

IC L298 tích hợp 2 tầng công suất (A, B) Tầng công suất chính là mạch cầu vàngõ ra của nó có thể lái các loại tải cảm thông dụng ở nhiều chế độ hoạt động khácnhau (tùy thuộc vào sự điều khiển ở ngõ vào) Dòng điện từ chân ngõ ra đi qua tải đếnchân cảm ứng dòng: điện trở ngoài RSA, RSB cho phép việc cảm ứng cường độ dòngđiện này

Mỗi cầu được bởi các cổng ngõ vào In1, In2, EnA và In3, In4, EnB Các chân

In chỉ có tác dụng khi chân En ở mức cao, khi các chân En ở mức thấp thì các chânngõ vào In ở trạng thái cấm Tất cả các chân đều tương thích với chuẩn TTL

IC L298 là 1 IC được tích hợp nguyên khối 2 mạch cầu H bên trong, với điện

áp làm tăng công suất đầu ra từ 5V lên đến tối đa 46V và chịu dòng lên đến 4A L298thích hợp trong những ứng dụng công suất nhỏ để điểu khiển động cơ DC

Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của khối công suất

Trong mạch cầu H sử dụng IC L298 này, các đầu ra A, B được nối với header2A, đầu ra C, D được nối với header 2B để điều khiển 2 động cơ DC Các diode D1 –D8 được mắc để chống dòng ngược trở lại làm hỏng mạch Các LED được nối với cácđầu ra để báo có tín hiệu công suất ra Các tín hiệu điều khiển cho mạch được lấy từ viđiều khiển Các chân của L298: IN1 nối với chân PC.0, IN2 nối vơi chân PC.1, ENAnối với chân PC.2, ENB nối với chân PC.3, IN3 nối với chân PC.4 và chân IN4 nối vớichân PC.5 của vi điều khiển

Mạch cầu H này yêu cầu 2 nguồn nuôi là:

+ 5V – DC: lấy từ vi điều khiển để tạo nguồn nuôi cho mạch L298

+ 12V – DC: để quay động cơ DC

2.2.5 Cảm biến quang điện Omron E3F3 – D12

Cảm biến quang Omron E3F3 – D12 có thiết kế hình trụ là thiết bị cao cấp củahãng Omron để phát hiện vật với tốc độ nhanh, cần thiết trong sản xuất công nghiệp và

tự động hóa

Hình 2.7: Cảm biến quang Omron E3F3

Omron E3F3 – D12 sử dụng công nghệ photo – IC làm tăng mức chống nhiễu,

có thiết kế vỏ nhựa ABS gọn nhẹ và tiết kiệm diện tích thiết kế Khoảng cách phát hiệnkhá dài (2m) với độ điều chỉnh độ nhạy cho loại khuếch tán E3F3 – D12 còn có bộbảo vệ chống ngắn mạch và nối cực ngược với nguồn điện, có nút chỉnh độ nhạy ngaytrên thân Điện áp sử dụng từ 12 – 24VDC

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của E3F3 – D12:

Khoảng cách phát

Vật thể phát hiện tiêu

Đặc tính trễ Tối đa 20% khoảng cách phát hiện

Nguồn sáng LED hồn ngoại (860nm)

Điện áp cung cấp 10 – 24VDC ± 10% kể cả xung tối da 10%

Công suất tiêu thụ Tối đa 25mA

Ngõ ra điều khiển Ngõ transistor collector hỏ, tối đa 100mA, điện áp dư tối đa

1V ở 100mAMạch bảo vệ Bảo vệ ngắn mạch ngõ ra và nối ngược cực nguồn cấp DCThời gian đáp ứng Tối đa 2,5ms

Điều chỉnh độ nhạy Núm điều chỉnh 1 vòng

Ảnh hưởng ánh sáng

của môi trường

Đèn sợi đốt: tối đa 3.000 luxÁnh sáng mặt trời: tối đa 10.000 luxNhiệt độ môi trường Hoạt động: -25ºC – 55ºC (không đóng băng hoặc ngưng tụ)

Bảo quản: -30ºC – 70ºC (không đóng bang hoặc ngưng tụ)

Độ ẩm môi trường Hoạt động 30% - 80% / Bảo quản: 35% - 90% (không ngưng

tụ)Trở kháng cách điện Tối thiểu 20MΩ) ở 500VDC gữa các bộ phận mang điện và vỏCường độ điện môi 1.000VAC, 50/60Hz trong 1 phút giữa các bộ phận mang điện

và vỏMức độ chịu rung 10 – 55Hz, biên độ rung 1,5mm hoặc 300m/s

2 trong một giờtheo mỗi hướng X,Y,Z

Mức độ chịu sốc Mức độ phá hủy: 500m/s2 cho 3 lần ở mỗi hướng X, Y và ZCấp bảo vệ IP66 (IEC60529)

Cáp nối Dây nối thường (độ dài tiêu chuẩn: 2m)

Đèn chỉ thị Chỉ thị hoạt động (cam)

Trọng lượng 85g (cả vỏ)

Kích thước tiêu chuẩn của cảm biến quang Omron E3F3 – D12:

Hình 2.8: Kích thước chi tiết của cảm biến E3F3 – D12

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị LCD

Dựa vào bảng chức năng các chân của LCD, PORTA nối với LCD cụ thể nhưtrong sơ đồ 2.8 Các chân điều khiển của LCD RS, R/W, E lần lượt được nối vớiPORTA.0, PORTA.1, PORTA.2 của chip vi điều khiển Và các chân truyền dữ liệuD4, D5, D6, D7 kết nối với các PORTA.4, PORTA.5, PORTA.6, PORTA.7 Chân Acủa LCD được cấp nguồn 5V, chân K nối với GND để cáp nguồn cho LCD hoạt động.Các chân VSS, VDD, VEE được nối với biến trở 10k VR1 để điều chỉnh độ sáng tốicủa màn hình LCD

2.2.7 Thiết kế mạch in cho hệ thống

Sau khi thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống xong em chuyển sang mạch

in với sơ đồ như sau:

Hình 2.10: Sơ đồ mạch in của hệ thống