điều khiển cửa tự động

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Cửa tự động loại thiết bị thay cho loại cửa thông thường, có chức tự động cảm nhận người qua lại, tự động mở có người cần qua tự động đóng lại không người qua lại Ưu điểm loại cửa hoàn toàn tự động không cần điều khiển người Việc sử dụng loại cửa tự động trở thành nhu cầu gần thiếu nơi công cộng khách sạn, siêu thị, ngân hàng…v…v 1.2 PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI Để điều khiển cửa tự động ta có nhiều cách để điều khiển cửa dùng cảm biến, điều khiển tay Có loại cảm biến để điều khiển : - Cảm biến quang Cảm biến chuyển động PIR …v…v Và đề tài em chọn cảm biến PIR để điều khiển cho cửa tự động Cần phải có động để kéo cửa, em sử dụng động 12VDC 1.3 SƠ ĐỒ KHỐI Để thiết kế đề tài bao gồm khối sau: SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG MSSV: 41203192 Hình 1: Sơ Đồ Hệ Thống Cửa Tự Động 1.3.1 Khối Điều Khiển a.Bộ Xử Lý Ta sử dụng PIC 8051 SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG MSSV: 41203192 Hình 2: Sơ Đồ Nguyên Lí Của PIC 16F877A Trong Mạch b Điều Khiển Động Cơ Để điều khiển động quay thuận, quay nghịch ta dùng: - Mạch cầu H transistor Module L298 tích hợp sẵn mạch cầu H Đây Module tích hợp sẵn mạch cầu H, điều khiển động DC động bước SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG MSSV: 41203192 Hình 3: Module L298 • Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V • Dòng tối đa cho cầu H là: 2A • Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V • Dòng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA • Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) • Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ 1.3.2 Khối Nguồn Sử dụng nguồn 5VDC 12VDC SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG MSSV: 41203192 Hình 4: Nguồn Nuôi Mạch 1.3.3 Nguồn nuôi mạch em cấp vào nguồn 12V DC dòng 1A qua 7805 vào mạch 5V DC Nguồn module L298 5V DC dòng 500mA Khối Điều Khiển Bằng Tay Em sử dụng nút nhấn để liên lạc với khối điều khiển Hình 5: Nút Nhấn 1.3.4 Khối Cảm Biến Có thể sử dụng Module cảm biến PIR SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG MSSV: 41203192 SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG MSSV: 41203192 Hình 6: Module PIR * Nguồn hoạt động: 4.5V - 20V * Dòng hoạt động lúc nghỉ: 50uA @ 5V * Dòng hoạt động làm việc: 300uA @ 5V * Chân OUT không bị kích hoạt mức 0V (LOW), kích hoạt mức 3.3V (HIGH) * Thời gian giữ mức cao: 0.5 giây - 200 giây (điều chỉnh biến trở Tx) * Kích thước: 32mm x 24mm x 24mm (dài x rộng x cao) 1.3.5 Khối Motor Quay Em sử dụng động 12V DC để kéo cửa Hình 7: Động Cơ DC CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN LINH KIỆN Em lựa chọn linh kiện sau cho mạch điều khiển cửa tự động 2.1 Vi Điền Khiển Thông thường có họ vi điều khiển bit 6811 Motorola, 8051 Intel, z8 Xilog Pic 16 Microchip Technology Mỗi loại có tập lệnh ghi riêng nhất, nên chúng thường không tương thích lẫn Ngoài có vi điều khiển 16 bit 32 bit sản xuất hãng khác Với tất vi điều khiển khác tiêu chuẩn để lựa chọn là: a) Đáp ứng nhu cầu tính toán toán cách hiệu quả, đầy đủ chức cần thiết thấp mặt giá thành Trong phân tích nhu cầu dự án dựa vi điều khiển phải biết vi điều khiển bit, 16 bit hay 32 bit đáp ứng tốt nhu cầu toán cách hiệu Những tiêu chuẩn là: - Tốc độ: tốc độ lớn mà vi điều khiển hỗ trợ - Kiểu đóng vỏ: Đóng vỏ kiểu DIP 40 chân hay QFP Đây yêu cầu quan trọng xét không gian, kiểu lắp ráp tạo mẫu thử cho sản phẩm cuối - Công suất tiêu thụ: Điều đặc biệt khắt khe sản phẩm dùng pin, ắc quy - Dung lượng nhớ Rom Ram chip - Số chân vào định thời chip - Khả dễ dàng nâng cấp cho hiệu suất cao giảm công suất tiêu thụ - Giá thành cho đơn vị: Điều quan trọng định giá thành sản phẩm mà vi điều khiển sử dụng b) Có sẵn công cụ phát triển phần mềm trình biên dịch, trình hợp ngữ gỡ rối c) Nguồn vi điều khiển sẵn có nhiều tin cậy Khả sẵn sàng đáp ứng số lượng tương lai Hiện vi điều khiển bit họ 8501 có số lượng lớn nhà cung cấp đa dạng Intel, Atmel,Philip… Nhưng mặt tính công xem PIC vượt trội nhiều so với 89 với nhiều module tích hợp sẵn ADC 10 BIT, PWM 10 BIT, PROM 256 BYTE, COMPARATER, VERF COMPARATER, đặc điểm tất vi điều khiển PIC sử dụng có chuẩn PI tức chuẩn công nghiệp thay chuẩn PC (chuẩn dân dụng) Ngoài PIC nhiều nhà sản xuất phần mềm tạo ngôn ngữ hỗ trợ cho việc lập trình ngôn ngữ Asembly ra, sử dụng ngôn ngữ phổ biến ngôn ngữ C phần mềm CCS C, HTPIC hay sử dụng Basic có MirkoBasic… nhiều chương trình khác để hỗ trợ cho việc lập trình bên cạnh ngôn ngữ kinh điển asmbler Nên đề tài em lựa chọn sử dụng vi điều khiển PIC làm điều khiển chính, cụ thể PIC16F877A 2.1.1 Sơ Đồ Khối Và Bảng Mô Tả Chức Năng PIC16F877A Hình 8:PIC 16F877A RB3/PGM 36 39 11 I/O RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 19 20 21 22 27 28 29 30 21 22 23 24 30 31 32 33 38 39 40 41 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O RE0/RD*/A N5 25 I/O TTL ST/T TL(3) ST/T TL(3) ST/T TL(3) ST/T TL(3) ST/T TL(3) ST/T TL(3) ST/T TL(3) ST/T TL(3) ST/T TL(3) RB3 làm ngõ vào điện lập trình mức thấp PORTD port vào hai chiều parallel slave port giao tiếp với bus vi xử lý PORTE port vào hai chiều RE0 điều khiển việc đọc parrallel slave port ngõ vào tương tự thứ RE1/WR*/A N6 10 26 I/O ST/T TL(3) RE2/CS*/AN 10 11 27 I/O ST/T TL(3) Vss 12 31 11 32 13 34 12 35 28 29 P 17 40 12 13 33 VDD NC P Ghi chú: I= input; O=output; I/O= input/output; P= power -= Not used ; TTL = TTL input; ST = SchmittTrigger input RE1 điều khiển việc ghi parallel slave port ngõ vào tương tự thứ RE2 điều khiển việc chọn parallel slave port ngõ vào tương tự Cung cấp nguồn dương cho mức logic, chân I/O Những chân không nối bên để trống Là vùng đệm có ngõ vào trigger Schimitt cấu ngắt Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schimitt sử dụng chế độ Serial Programming Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schimitt cấu ngõ vào mục đích chung ngõ vào TTL sử dụng chế độ Paralell Slave Port (cho phép việc giao tiếp với bus vi xử lý) Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schmitt cấu hình chế độ dao động RC ngõ vào CMOS khác Một đặc điểm khác PIC 16F877A có dao động chủ chip đều, giúp tránh sai số không cần thiết việc tao xung dao động,vi điều khiển pic16f877a có khả tự reset WDT, có thêm 256 byte EPROM Nhưng giá thành Pic đắt 8051 2.2 Nguồn Chính IC Ổn Áp 7805 Hình 10: IC ổn áp 7805 7805 mạch tích hợp chỉnh điện áp Đây dòng IC họ 78xx điều chỉnh điện áp tuyến tính cố định Nguồn điện áp mạch có biến động không cho lượng điện áp cố định Các vi mạch điều chỉnh điện áp tri điện áp đầu giá trị không đổi Các xx 78xx cho biết đại lượng điện áp cố định thiết kế để cung cấp: 7805 cung cấp nguồn +5V…v v Hình 11: Sơ Đồ Nguyên Lý 7805 2.3 Module Cảm Biến Chuyển Động PIR Là cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Trong có thân nhiệt (thông thường 37 độ C), từ thể phát tia hồng ngoại Người ta dùng tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt thành dạng tín hiệu nhờ tạo cảm biến phát vật thể nóng chuyển động Cảm biến gọi thụ động không dùng nguồn nhiệt tự phát mà phụ thuộc vào nguồn tha nhiệt thân nhiệt thực thể khác Lý em chọn cảm biến để làm để tài điều khiển cửa tự động đơn giản phổ biến sống, thấy cửa hàng siêu thị hay ngân hàng…v v Hình 12: Sơ Đồ Nguyên Lý Của Đầu Dò PIR Các nguồn nhiệt qua kính Fresnel lọc lấy tia hồng ngoại cho tiêu thụ cảm biến hồng ngoại gắn đầu dò tạo điện áp khuếch đại với transistor FET Khi có vật nóng ngang cảm biến cho xuất tín hiệu khuếch có biên độ đủ cao đưa vào mạch so áp để tác động vào thiết bị điều khiển hay báo động 2.4 Module L298 Tóm tắt chức chân L298: - chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển - chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3, 13, 14 L298 Các chân nối với động - Hai chân ENA ENB dung để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H không hoạt động Với toán trên, bạn cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298: -Khi ENA = 0: Động không quay với đầu vào -Khi ENA = 1: ØINT1 = 1; INT2 = 0: động quay thuân ØINT1 = 0; INT2 = 1: động quay nghịch ØINT1 = INT2: động dừng tức (tương tự với chân ENB, INT3, INT4) • Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V • Dòng tối đa cho cầu H là: 2A • Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V • Dòng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA • Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ Hình 13: Sơ Đồ Nguyên Lý L298 2.5 Động Cơ 12VDC Hình 14: Động Cơ Điện Chiều Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều Nguyên tắc hoạt động Stator động điện chiều thường hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có cuộn dây quấn nối với nguồn điện chiều, phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor liên tục Thông thường phận gồm có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Nếu trục động điện chiều kéo lực ngoài, động hoạt động máy phát điện chiều, tạo sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động counter-EMF (CEMF) sức điện độngđối kháng, đối kháng lại điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện (như lúc ta nối điện trở tải vào đầu động cơ, kéo trục động ngẫu lực bên ngoài) Như điện áp đặt động bao gồm thành phần: sức phản điện động, điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phần ứng Dòng điện chạy qua động tính theo biều thức sau: Công suất mà động đưa được, tính bằng: Cơ chế sinh lực quay động điện chiều Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dòng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quya động cuộn dây lệch 90 độ so với phương ban đầu nó, rotor quay theo quán tính Trong máy điện chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối nhiều phiến góp khác cổ góp Nhờ dòng điện lực quay liên tục không bị thay đổi theo vị trí khác rotor Như ta biết thành phần cấu tạo động cuộn dây nên động có hệ số cảm kháng vây ta xem động cuôn cảm có chức nạp xả , ta thay biến trở transitor (BJT) điều khiển bàng chuỗi xung có tần số nằm khoảng 400Hz đến 30kHz ( tùy trường hợp mà chọn tần số ) ,như Q đóng cắt tương ứng với mức mức chuỗi xung => cực C trasitor Q chuỗi xung có biên độ lớn ( ngược pha với xung vào) ta xem động cuộn cảm nên cực C thực chuỗi xung vuông ,sường xung lên sường xung xuống la đường cong , tính theo giá trị điện áp trung bình toàn chuỗi xung tạ cực C đơn vị thời gian ta thấy giá trị nằm khoảng từ 0V - 12V Và giá trị thay đổi cách : + thay đổi tần số : tăng tần số giá trị điện áp trung bình cưc C tăng lên => tốc độ động tăng lên ngược lại ( cách hiêu suất không cao nên không dùng ) + gữ nguyên tần số : ta thay đổi độ rộng xung ( tức thay đổi thời gian on off xung chu kì ) độ rông xung mức tăng lên ( độ rộng mức giảm) chu kì giá tri điện áp trung bình cực C tăng lên => tốc độ động tăng lên ngược lại ( cách tốt ) - Em chọn động động cơ dễ hiểu sử dụng điện áp thấp an toàn sử dụng rộng rãi để mô CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Sơ Đồ Nguyên Lý Em sử dụng phần mềm Orcad để vẽ sơ đồ nguyên lý Hình 15: Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Điều Khiển Cửa Tự Động Dùng Cảm Biến PIR 3.2 Mạch Mô Phỏng Mạch mô chương trình Proteus Nguyên Lý Điều Khiển Có chế độ điều khiển a.Điều Khiển Bằng Tay Ở chế độ em cho phép điều khiển động quay thuận ngịch tương đương với cửa đóng mở nút nhấn chủ động điều khiển mà không cần cảm biến, nút mở cửa, đóng cửa dừng Khi nhấn nút mở cửa PORT RB6 tín truyền vào vi xử lí PIC16F877A chân RC0 hoạt động, chân RC1 không hoạt động, động quay thuận Động quay thuận kéo cửa lên chạm công tắc hành trình dừng động tương đương với PORT RC0 RC1 không hoạt động Khi nhấn nút đóng cửa PORT RB7 PORT RC0 không hoạt động, RC1 hoạt động làm động quay nghịch kéo cửa trở vị trí ban đầu chạm công tắt hành trình dừng động Khi bấm nút mở cửa, cửa chưa chạm công tắc hành trình nhấn nút dừng dừng động tương tự nút đóng cửa nhấn nút dừng dừng động b.Điều Khiển Bằng Cảm Biến PIR Ở chế độ PIR thay tín hiệu nút nhấn Bình thường cảm biến PIR xuất mức thấp, có người qua PIR xuất xung cao truyền qua PORT RB0 qua vi xử lí PORT RC0 hoạt động, RC1 không hoạt động kéo cửa lên chạm công tắc hành trình dừng động tương đương với PORT RC0 RC1 sau delay 2000ms PIR xuất mức thấp trở lại, PORT RC0 không hoạt động RC1 hoạt động làm động quay nghịch kéo cửa xuống chạm công tắc hành trình dừng động CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM 4.1 Lưu Đồ Giải Thuật Từ phân tích em thiết kế lưu đồ giải thuật cho mạch sau: 4.2 Sơ Đồ Mạch In Hình 16: Sơ Đồ Mạch In 4.3 Mô Hình Điều Khiển Cửa Tự Động Hoàn Chỉnh Mạch Hình 17: Bo Mạch Chính Tổng thể sản phẩm mô hình Hình 18: Tổng Thể Sản Phẩm CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết Luận Ưu Điểm - Mạch chạy yêu cầu đề tài đặt Tốc độ xử lý nhanh Khuyết Điểm - Thuật toán code chưa tối ưu ... Mạch Điều Khiển Cửa Tự Động Dùng Cảm Biến PIR 3.2 Mạch Mô Phỏng Mạch mô chương trình Proteus Nguyên Lý Điều Khiển Có chế độ điều khiển a .Điều Khiển Bằng Tay Ở chế độ em cho phép điều khiển động. .. Thống Cửa Tự Động 1.3.1 Khối Điều Khiển a.Bộ Xử Lý Ta sử dụng PIC 8051 SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG MSSV: 41203192 Hình 2: Sơ Đồ Nguyên Lí Của PIC 16F877A Trong Mạch b Điều Khiển Động Cơ Để điều khiển động. .. hoạt động làm động quay nghịch kéo cửa trở vị trí ban đầu chạm công tắt hành trình dừng động Khi bấm nút mở cửa, cửa chưa chạm công tắc hành trình nhấn nút dừng dừng động tương tự nút đóng cửa