điều khiển cửa tự động

Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schimitt khi được cấu hình như ngõvào ra mục đích chung và là ngõ vào TTL khi sử dụng trong chế độParalell Slave Port cho phép việc giao tiếp với các bus c

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA

TỰ ĐỘNG

1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

Cửa tự động là một loại thiết bị thay thế cho các loại cửa thông thường,

nó có chức năng tự động cảm nhận đối với người qua lại, tự động mở ra khi cóngười cần đi qua và tự động đóng lại khi không còn người qua lại

Ưu điểm chính của loại cửa này là hoàn toàn tự động không cần sự điềukhiển của con người Việc sử dụng các loại cửa tự động đã trở thành một nhucầu gần như không thể thiếu tại những nơi công cộng như khách sạn, siêu thị,ngân hàng…v…v

1.2 PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI

Để điều khiển cửa tự động ta có thể có nhiều cách để điều khiển cửanhư dùng cảm biến, điều khiển bằng tay Có các loại cảm biến để điều khiểnnhư :

- Cảm biến quang

- Cảm biến chuyển động PIR

- …v…v

Và ở đề tài này em chọn cảm biến PIR để điều khiển cho cửa tự động

Cần phải có 1 động cơ để kéo cửa, em sử dụng động cơ 12VDC

1.3. SƠ ĐỒ KHỐI

Để thiết kế đề tài này thì bao gồm những khối như sau:

SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG

Hình 1: Sơ Đồ Hệ Thống Cửa Tự Động1.3.1. Khối Điều Khiển

a.Bộ Xử Lý

Ta có thể sử dụng PIC hoặc 8051

SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG

Hình 2: Sơ Đồ Nguyên Lí Của PIC 16F877A Trong Mạch

b Điều Khiển Động Cơ

Để điều khiển động cơ quay thuận, quay nghịch ta có thể dùng:

Hình 3: Module L298

• Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V

• Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

• Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

• Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 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 hoặc 12VDC

SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG

Hình 4: Nguồn Nuôi Mạch

- Nguồn nuôi mạch chính em cấp vào nguồn 12V DC dòng 1A qua 7805 vào mạch là 5V DC

- Nguồn của module L298 là 5V DC dòng 500mA

1.3.3. Khối Điều Khiển Bằng Tay

Em sử dụng các nút nhấn để liên lạc với khối điều khiển

SVTH: NGUYỄN CÁT TƯỜNG

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 ra OUT không bị kích hoạt ở mức 0V (LOW), khi kích hoạt ở mức 3.3V (HIGH)

* Thời gian giữ mức cao: 0.5 giây - 200 giây (điều chỉnh bằng 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 cơ 12V DC để kéo cửa

Hình 7: Động Cơ DC

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN LINH KIỆN

Em lựa chọn các linh kiện sau cho mạch điều khiển cửa tự động

2.1 Vi Điền Khiển

Thông thường có 4 họ vi điều khiển 8 bit chính là 6811 của Motorola,

8051 của Intel, z8 của Xilog và Pic 16 của Microchip Technology Mỗi mộtloại trên đây đều có một tập lệnh và thanh ghi riêng duy nhất, nên chúngthường không tương thích lẫn nhau Ngoài ra cũng có những bộ vi điều khiển

16 bit và 32 bit được sản xuất bởi các hãng khác nhau Với tất cả những bộ viđiều khiển khác nhau thì tiêu chuẩn để lựa chọn là:

a) Đáp ứng được nhu cầu tính toán của bài toán một cách hiệu quả, đầy

đủ chức năng cần thiết và thấp nhất về mặt giá thành Trong khi phân tích cácnhu cầu của một dự án dựa trên bộ vi điều khiển chúng ta phải biết bộ vi điều

khiển nào là 8 bit, 16 bit hay 32 bit có thể đáp ứng tốt nhất nhu cầu của bàitoán một cách hiệu quả Những tiêu chuẩn đó là:

- Tốc độ: tốc độ lớn nhất mà vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu

- Kiểu đóng vỏ: Đóng vỏ kiểu DIP 40 chân hay QFP Đây là yêu cầu quan trọng xét về không gian, kiểu lắp ráp và tạo mẫu thử cho sản phẩm cuối cùng

- Công suất tiêu thụ: Điều này đặc biệt khắt khe đối với các sản phẩm dùng pin, ắc quy

- Dung lượng bộ nhớ Rom và Ram trên chip

- Số chân vào ra và bộ định thời trên chip

- Khả năng dễ dàng nâng cấp cho hiệu suất cao hoặc giảm công suất tiêu thụ

- Giá thành cho một đơn vị: Điều này quan trọng quyết định giá thành sảnphẩm mà một bộ vi điều khiển được sử dụng

b) Có sẵn các công cụ phát triển phần mềm như các trình biên dịch,

trình hợp ngữ và gỡ rối

c) Nguồn các bộ vi điều khiển sẵn có nhiều và tin cậy Khả năng sẵn

sàng đáp ứng về số lượng trong hiện tại và tương lai

Hiện nay các bộ vi điều khiển 8 bit họ 8501 là có số lượng lớn nhất cácnhà cung cấp đa dạng như Intel, Atmel,Philip… Nhưng về mặt tính năng vàcông năng thì có thể xem PIC vượt trội hơn rất nhiều so với 89 với nhiềumodule được tích hợp sẵn như ADC 10 BIT, PWM 10 BIT, PROM 256BYTE, COMPARATER, VERF COMPARATER, một đặc điểm nữa là tất cả

vi điều khiển PIC sử dụng thì đều có chuẩn PI tức chuẩn công nghiệp thay vìchuẩn PC (chuẩn dân dụng) Ngoài ra PIC còn được rất nhiều nhà sản xuấtphần mềm tạo ra các ngôn ngữ hỗ trợ cho việc lập trình ngoài ngôn ngữAsembly ra, còn có thể sử dụng ngôn ngữ phổ biến hiện này là ngôn ngữ Ctrong phần mềm CCS C, HTPIC hay sử dụng Basic thì có MirkoBasic… vàcòn nhiều chương trình khác nữa để hỗ trợ cho việc lập trình bên cạnh ngôn

ngữ kinh điển là asmbler Nên trong đề tài này em đã lựa chọn sử dụng vi điềukhiển PIC làm bộ điều khiển chính, cụ thể là PIC16F877A

2.1.1 Sơ Đồ Khối Và Bảng Mô Tả Chức Năng PIC16F877A

Hình 8:PIC 16F877A

Hình 9: Sơ Đồ Khối Của PIC 16F877A

Bảng mô tả chức năng các chân của PIC16F877A

Pin#

PLCCPin#

QFT Pin#

I/O/

PType

BufferType

Description

dao động thạchanh Nối vớithạch anh haycộng hưởngtrong chế độdao động củathạch anh.Trongchế độ RC, ngõ

ra của nhânOSC2

MCLR’/Vpp

MasterClear(Reset)hoặc ngõ vàođiện thế đượclập trình Chânnày cho phéptín hiệu Resetthiết bị tác động

ở mức thấp

RA0/AN0

vào ra hai chiều.RA0cos thể làmngõ vào tương

tự thứ 0

tự thứ 1

RA2 có thể làmngõ vào tương

RA5 có thể làmngõ vào tương

363738

8910

I/OI/OI/O

TTL/ST(1)TTLTTL

PORTB là port

2 chiềuRB0 có thể làmchân ngắt ngoài

RB3/PGM 36 39 11 I/O TTL

RB3 có thể làmngõ vào củađiện thế đượclập trình ở mứcthấp

2122232430313233

383940412345

I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/O

ST/TTL(3)ST/TTL(3)ST/TTL(3)ST/TTL(3)ST/TTL(3)ST/TTL(3)ST/TTL(3)ST/TTL(3)

PORTD

là portvào ra haichiềuhoặc làparallelslave portkhi giaotiếp vớibus của

bộ vi xửlý

RE0/RD*/A

vào ra haichiều.RE0 cóthể điềukhiểnviệc đọcparrallelslave porthoặc làngõ vàotương tựthứ 5

TL(3)

RE2 cóthể điềukhiểnviệc chọnparallelslave porthoặc làngõ vàotương tự7Vss

VDD

12311132

13341235

728629

PP

Cung cấpnguồndươngcho cácmứclogic, vànhữngchân I/O

172840

1213334

Nhữngchân nàykhôngđược nốibên trong

và nóđược đểtrống.Ghi chú: I= input; O=output; I/O= input/output; P= power

-= Not used ; TTL = TTL input; ST = SchmittTrigger input

1. Là vùng đệm có ngõ vào trigger Schimitt khi được cấu hình như ngắtngoài

2. Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schimitt khi được sử dụng trong chế

độ 9 Serial Programming

3. Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schimitt khi được cấu hình như ngõvào ra mục đích chung và là ngõ vào TTL khi sử dụng trong chế độParalell Slave Port (cho phép việc giao tiếp với các bus của bộ vi xửlý)

Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schmitt khi được cấu hình trong chế độ dao động RC và một ngõ vào CMOS khác

Một đặc điểm khác của PIC 16F877A là có bộ dao động chủ trên chip đều, nó

sẽ giúp tránh được những sai số không cần thiết trong việc tao xung daođộng,vi điều khiển pic16f877a có khả năng tự reset bằng bộ WDT, và có thêm

256 byte EPROM Nhưng giá thành của Pic đắt hơn 8051

Hình 11: Sơ Đồ Nguyên Lý 7805

2.3 Module Cảm Biến Chuyển Động PIR

Là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại Trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thểchúng ta sẽ luôn phát ra các tia hồng ngoại Người ta sẽ dùng một tế bào điện

để chuyển đổi tia nhiệt thành dạng tín hiệu và nhờ đó có thể tạo ra cảm biếnphát hiện các vật thể nóng đang chuyển động Cảm biến này gọi là thụ động vì

nó không dùng nguồn nhiệt tự phát mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt

là thân nhiệt của các thực thể khác

Lý do em chọn cảm biến này để làm để tài điều khiển cửa tự động là vì

nó đơn giản và rất phổ biến trong cuộc sống, chúng ta có thể thấy nó ở các cửahàng 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 nó được cho tiêu thụtrên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò và tạo điện áp khuếch đại vớitransistor FET Khi có một vật nóng đi ngang 2 cảm biến này sẽ cho xuất 2 tínhiệu và được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tácđộng vào 1 thiết bị điều khiển hay báo động

2.4 Module L298

Tóm tắt chức năng các chân của L298:

- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10,

12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển

- 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân

INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ

- Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298 Nếu

ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ởmức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động

Với bài toán của mình ở trên, các bạn chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298:

-Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào

-Khi ENA = 1:

ØINT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuân.

ØINT1 = 0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch.

ØINT1 = INT2: động cơ dừng ngay tức thì.

(tương tự với các chân ENB, INT3, INT4).

• Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V

• Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

• Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

• Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 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 1 Chiều

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều

Nguyên tắc hoạt động

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châmvĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối vớinguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộphận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển độngquay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp vàmột bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài,động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điệnđộng cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotorkhi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF(CEMF) hoặc sức điện độngđối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoàiđặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khiđộng cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tảivào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài).Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động,

và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng Dòng điệnchạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh mộtlõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên,trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên

lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, vàlàm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổgóp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ

có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường.Nghĩa là lực quya của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 độ so với phươngban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ranhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay đượcliên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor

Như ta đã biết thành phần cấu tạo của động cơ là cuộn dây nên động cơ

sẽ có 1 hệ số cảm kháng như vây ta hãy xem như động cơ là 1 cuôn cảm cóchức năng nạp và xả , ta thay biến trở bằng 1 con transitor (BJT)

và điều khiển nó bàng 1 chuỗi xung có tần số nằm trong khoảng 400Hz đến30kHz ( cái này tùy trường hợp mà chọn tần số ) ,như vậy Q sẽ đóng và cắttương ứng với mức 1 và mức 0 của chuỗi xung => tại cực C của trasitor Qcũng sẽ là 1 chuỗi xung nhưng có biên độ lớn hơn ( ngược pha với xung vào)

vì ta xem động cơ như là 1 cuộn cảm nên tại cực C thực ra sẽ không phải làchuỗi xung vuông ,sường xung lên và sường xung xuống sẽ la đường cong ,tính theo giá trị điện áp trung bình của toàn bộ chuỗi xung tạ cực C trong 1 đơn

vị thời gian ta thấy giá trị đó nằm trong khoảng từ 0V - 12V

Và giá trị này có thể thay đổi bằng 2 cách :

+ 1 là thay đổi tần số : khi tăng tần số thì giá trị điện áp trung bình tại cưc C

sẽ tăng lên => tốc độ động cơ sẽ tăng lên và ngược lại ( cách này hiêu suất không cao nên không dùng )

+ 2 là gữ nguyên tần số : ta chỉ thay đổi độ rộng của xung ( tức là thay đổi thời gian on và off của xung trong 1 chu kì ) khi độ rông của xung mức 1 tăng lên ( độ rộng mức 0 giảm) trong 1 chu kì thì giá tri điện áp trung bình tại cực C

sẽ tăng lên => tốc độ động cơ sẽ tăng lên và ngược lại ( cách này tốt nhất )

- Em chọn động cơ này vì nó là động cơ cơ bản dễ hiểu và sử dụng điện áp thấp an toàn cũng được sử dụng rộng rãi để mô phỏng

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 phỏng bằng chương trình Proteus

Nguyên Lý Điều Khiển

Có 2 chế độ điều khiển

a.Điều Khiển Bằng Tay

Ở chế độ này em cho phép điều khiển động cơ quay thuận và ngịch tươngđương với cửa sẽ đóng và mở bằng nút nhấn do mình chủ động điều khiển màkhông cần cảm biến, nút mở cửa, đóng cửa và dừng

Khi nhấn nút mở cửa ở PORT RB6 tín hiện được truyền vào vi xử líPIC16F877A thì chân RC0 hoạt động, chân RC1 không hoạt động, động cơquay thuận Động cơ quay thuận kéo cửa lên chạm công tắc hành trình trên thìdừng động cơ tương đương với PORT RC0 và RC1 không hoạt động

Khi nhấn nút đóng cửa PORT RB7 thì PORT RC0 không hoạt động, RC1hoạt động làm động cơ quay nghịch kéo cửa trở về vị trí ban đầu và chạm côngtắt hành trình dưới thì dừng động cơ

Khi bấm nút mở cửa, cửa chưa chạm công tắc hành trình trên nhấn nútdừng thì nó sẽ dừng động cơ tương tự nút đóng cửa nhấn nút dừng nó cũng sẽdừng động cơ.

b.Điều Khiển Bằng Cảm Biến PIR

Ở chế độ này PIR thay thế tín hiệu của nút nhấn

Bình thường cảm biến PIR sẽ xuất mức thấp, khi có người đi qua PIR sẽxuất 1 xung cao truyền qua PORT RB0 và qua vi xử lí thì PORT RC0 hoạtđộng, RC1 không hoạt động kéo cửa lên chạm công tắc hành trình trên thìdừng động cơ tương đương với PORT RC0 và RC1 bằng 0 sau đó delay2000ms thì PIR xuất mức thấp trở lại, PORT RC0 không hoạt động RC1 hoạtđộng làm động cơ quay nghịch kéo cửa xuống chạm công tắc hành trình dướithì dừng động cơ

CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ THI

CÔNG SẢN PHẨM 4.1 Lưu Đồ Giải Thuật

Từ các phân tích trên em thiết kế lưu đồ giải thuật cho mạch như 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 chính

Hình 17: Bo Mạch ChínhTổng thể sản phẩm và mô hình

Hình 18: Tổng Thể Sản Phẩm

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN