đồ án môn học môn học hệ thống nhúng

Hiện nay Hệ thống nhúng đã và đang từng bước phát triển ở Việt nam, nó thay cho các Hệ thống vi xử lý trước đây.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH ĐỒ ÁN MƠN HỌC MƠN HỌC HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm sinh viên : Nguyễn Thị Hòa Nguyễn Văn Hợp Tống Quang Long Lớp : K43DDK Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Huy Thái Nguyên – 2011 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Nhận xét giáo viên hướng dẫn Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét giáo viên chấm Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC 3.1 Thiết kế phần cứng 30 3.2 Thiết kế phần mềm 30 Bộ môn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng cho hệ thống nhúng ngày trở nên phổ biến: từ ứng dụng đơn giản điều khiển chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động điện chiều, thiết kế biển quảng cáo dùng Led ma trận, đồng hồ thời gian thực….đến ứng dụng phức tạp hệ thống điều khiển robot, kiểm soát nhà máy hệ thống kiểm soát máy lượng hạt nhân Các hệ thống tự động trước sử dụng nhiều công nghệ khác hệ thống tự động hoạt động nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle điện, mạch điện tử số, thiết bị máy móc tự động cam chốt khí thiết bị, hệ thống có chức xử lý mức độ tự động thấp so với hệ thống tự động đại xây dựng tảng hệ thống nhúng Với mong muốn giới thiệu ứng dụng hệ thống nhúng đời sống đại, nhóm chúng em đưa mơ hình thiết kế hệ thống điều khiển đèn thơng minh dùng cho phịng họp Trong q trình thực đồ án mơn học, nhóm chúng em cố gắng thiết kế cho mơ hình đơn giản nhất, ổn định nhất; nhiên vấn đề thời gian kinh nghiệm nên mơ hình cịn gặp phải vấn đề chưa thể khắc phục Trân trọng chân thành cảm ơn! Nhóm thực đề tài: Bộ mơn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Nguyễn Thị Hòa Nguyễn Văn Hợp Tống Quang Long CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TỐN 1.1 Khảo sát phân tích tốn Hiện hầu hết việc giám sát điều khiển chiếu sáng phịng cơng cộng điều khiển tay thơng qua đóng mở cơng tắc, aptomat, cầu dao Điều thuận lợi đơn giản ta bật tắt đèn theo nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, phịng cơng cộng nên việc bật tắt đèn người trực khu nhà làm Vì họ khơng biết xác có người tới người hết khỏi phịng họ biết phải quản lý nhiều phịng nên họ để điện đến hết ca trực, điều gây lãng phí điện lớn, đặc biệt hồn cảnh nước ta thiếu điện cách trầm trọng Trên thị trường có số thiết bị bật tắt đèn thông minh, SmartLight Hàn Quốc sản xuất: Được tích hợp sensor cảm ứng hồng ngoại thân nhiệt, đèn tự động bật có người vào vùng cảm ứng tắt khơng có người Bộ mơn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Hình 1.1: Đèn thơng minh Smartlight SmartLight phù hợp với nhu cầu chiếu sáng thông minh bạn sân cổng, phòng khách, phòng ngủ, phòng vệ sinh, cầu thang, văn phòng giúp bạn bật tắt đèn hoàn toàn tự động, mang lại an toàn, tiện nghi tiết kiệm điện Tuy nhiên thiết bị tích hợp ln điều khiển với đèn sản phẩm Do giá thành cao khơng thích hợp cho phịng cần lượng chiếu sáng lớn, khơng thay đổi loại bóng đèn theo u cầu Hệ thống giám sát điều khiển chiếu sáng sử dụng camera kết nối với máy tính để kiểm sốt số người phịng, qua phát lệnh đóng mở cơng tắc tơ bật tắt bóng đèn Hình 1.2: Hệ thống camera giám sát Hệ thống giúp việc bật tắt đèn nơi lắp đặt cách xác, tự động bán tự động Tuy nhiên sử dụng máy tính nên giá thành hệ thống cao, mặt khác không giải vấn đề tiết kiệm điện Vì thường Bộ mơn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy sử dụng tịa nhà cơng nghệ cao, khu vực cần điều chỉnh chiếu sáng khơng phải mục đích tiết kiệm điện Hệ thống bật tắt đèn tự động sử dụng IC số mạch Logic cho phép ta dựa vào lượng người vào để đóng ngắt cơng tắc cách tự động Hình 1.3: Hệ thống bật tắt đèn thơng minh dùng IC số Hệ thống có cấu tạo đơn giản, rẻ, khơng phải lập trình mà dựa vào mạch Logic… tính linh động khơng cao, khó chỉnh định điều kiện làm việc thay đổi, có khả nâng cấp mở rộng hệ thống Với phịng họp cơng cộng, mà lưu lượng người khơng lớn kiểm sốt việc đếm người qua cửa ta hồn tồn áp dụng hệ thống đèn thông minh sử dụng Vi điều khiển lập trình để bật đèn có người tắt khơng có người Điều vừa tiện lợi cho người: ứng dụng công nghệ tự động hóa vào sống người, đảm bảo đủ ánh sáng trình làm việc, người quản lý đỡ tốn thời gian… đồng thời góp phần giải vấn đề tiết kiệm điện thời kỳ mà nhu cầu điện tiêu thụ vượt khả cung cấp nhà máy điện Bộ mơn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy 1.2 Lựa chọn giải pháp 1.2.1 Giải pháp cơng nghệ Qua phân tích trên, nhóm chúng em đưa giải pháp xây dựng hệ thống điều khiển đèn thơng minh cho phịng họp: điều khiển bật tắt đèn qua việc kiểm soát lượng người vào phịng Thu nhận tín hiệu xử lý tín hiệu, có người vào phịng, đèn bật bật, đèn chưa bật bật đèn lên; người hết khỏi phòng tắt đèn Trong trình làm việc hệ thống ln hiển thị số người cịn phòng để tiện cho việc kiểm tra, theo dõi 1.2.2 Giải pháp thiết kế • Để phát người ta dùng thu phát hồng ngoại mắc gần đặt cửa vào • Xử lý, điều khiển dùng vi điều khiển Pic: lập trình để Pic nhận tín hiệu vào từ Led hồng ngoại, tính tốn xử lý để đưa lệnh bật tắt đèn • Để hiển thị ta dùng Led thanh: lấy tín hiệu từ Pic để thơng báo xem phịng có người • Điều khiển tắt/mở bóng đèn nhờ transistor cấp dịng cho rơ le 1.2.3 Các u cầu • Hệ thống điều khiển đèn thơng minh áp dụng cho phòng họp:     Số lượng người phịng tối đa khơng q 99 người Phịng có cửa vào Ở thời điểm có người qua cửa Cửa cao 2.5m, rộng 2m • Có người vào bật đèn hết tắt đèn • Hệ thống có chế độ làm việc tự động tay • Làm việc với điện áp 220V/50Hz • Sensor cơng nghệ tùy chọn • Có khả nâng cấp, cải tiến 1.2.4 Giới hạn hạn định • Làm việc ban ngày lẫn ban đêm Bộ mơn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy • Thu nhận tín hiệu liên tục có người vào • Nhiệt độ mơi trường: nhà 100C đến 400C • Hệ thống cấp điện từ đầu CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ tổng quát Hệ thống điều khiển đèn thơng minh gồm có khối Khối nguồn Khối cảm biến Khối xử lý Khối chấp hành Khối hiển thị Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống bật tắt đèn thơng minh • Khối Nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống • Khối Cảm biến: Sử dụng sensor hồng ngoại dùng để thu nhận tín hiệu người vào phịng, đưa tín hiệu thu vào chân Pic để xử lý Để nhận biết người vào hay ta dùng thu phát hồng ngoại mắc gần • Khối Xử lý: Dùng VDK Pic 16F877A để lấy tín hiệu từ cảm biến, tính toán, lưu trữ đưa khối hiển thị khối chấp hành Bộ mơn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy • Khối Hiển thị: Lấy tín hiệu từ chân Pic để hiển thị số lượng người phòng Led thanh.Khối Chấp hành: Nhận tín hiệu từ khối xử lý để thực đóng cắt tiếp điểm mạch động lực 2.2 Sơ đồ Callgraph Chương trình điều khiển Module Xử lý Cảm biến Cảm biến Module Xử lý Chương trình Chấp hành Hiển thị Hình 2.2: Sơ đồ Callgraph hệ thống bật tắt đèn thông minh 2.3 Sơ đồ đặc tả Bộ môn Kỹ thuật máy tính ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy Hiển thị Số người Bật đèn Có người Người Phân lượng người phịng Khơng người Tắt đèn Người vào Hình 2.3: Sơ đồ đặc tả hệ thống bật tắt đèn thông minh 2.4 Các module hệ thống 2.4.1 Module khối nguồn Module tạo điện áp chiều từ nguồn xoay chiều 220V để cung cấp cho linh kiện hệ thống Sử dụng biến áp để biến điện áp xoay chiều 220V thành điện áp xoay chiều 12V, dùng chỉnh lưu từ 12V xoay chiều sang 12V chiều, dùng IC 7805 ổn áp để lấy điện áp ổn định 5V ngõ 12V - + C C B ie n a p IN 7805 O U T G N D U V c c -5 V C C 2 220V~ D io t c a u L1 J2 Hình 2.4.: Module nguồn cấp 2.4.2 Module cảm biến Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 10 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy gọi "mã hiển thị Led đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị Led đoạn: mã dành cho Led đoạn có Anode(cực +) chung mã dành cho Led đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để thị số cần làm cho Led vị trí b c sáng, sử dụng Led đoạn có Anode chung phải đặt vào hai chân b c điện áp 0V(mức 0) chân lại đặt điện áp 5V(mức 1), sử dụng Led đoạn có Cathode chung điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức phải đặt vào chân b c điện áp 5V(mức 1) Phần cứng kết nối với Port Vi điều khiển, để thuận tiện cho việc xử lí sau phần cứng nên kết nối sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, theo thứ tự Px.7 nối với chân h 2.5.4 Transistor a Định nghĩa Transistor hình thành từ ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N ,nếu ghép theo thứ tự PNP ta Transistor thuận , ghép theo thứ tự NPN ta Transistor ngược phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều Cấu trúc gọi Bipolar Junction Transitor (BJT) dịng điện chạy cấu trúc bao gồm hai loại điện tích âm dương (Bipolar nghĩa hai cực tính) Ba lớp bán dẫn nối thành ba cực, lớp gọi cực gốc ký hiệu B (Base), lớp bán dẫn B mỏng có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát (Emitter) viết tắt E, cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt C, vùng bán dẫn E C có loại bán dẫn (loại N hay P ) có kích thước nồng độ tạp chất khác nên khơng hốn vị cho Hình 2.15: Hình ảnh transistor Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 24 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy b Nguyên tắc hoạt động Transitor: Trong chế độ tuyến tính hay cịn gọi chế độ khuyếch đại, Transitor phần tử khuyếch đại dòng điện với dòng Ic β lần dòng bazo (dòng điều khiển ) Trong β hệ số khuyếch đại dịng điện : IC = β.IB 2.5.5 Tụ điện Tụ điện linh kiện điện tử thụ động sử dụng rộng rãi mạch điện tử, chúng sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động Hình 2.16: Một số loại tụ điện 2.5.6 Rơle Rơle cơng tắc điều khiển từ xa đơn giản, dùng dòng nhỏ để điều khiển dòng lớn dùng để bảo vệ cơng tắc nên xem thiết bị bảo vệ Một rơle điển hình điều khiển mạch điều khiển nguồn Kết cấu rơle gồm có lõi sắt ,một cuộn từ tiếp điểm Hình 2.17: Cấu tạo Rơ le đơn giản hình ảnh Role 5V Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 25 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy 2.5.7 IC ổn áp 7805 mạch tích hợp điều chỉnh điện áp Đây dòng IC họ 78xx điều chỉnh điện áp tuyến tính cố định Nguồn điện áp mạch có biến động khơng cho lượng điện áp cố định Các vi mạch điều chỉnh điện áp trì điện áp đầu giá trị không đổi Các xx 78xx cho biết lượng điện áp cố định thiết kế để cung cấp: 7805 cung cấp nguồn +5 V Hình 2.18: IC ổn áp 7805 Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 26 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy 2.6.Sơ đồ nguyên lý mạch Các module kết nối với theo sơ đồ hình vẽ 7SEG V c c -5 V M P X -C A C T13 R R ES Y Z TB V1 10 L1 L2 13 14 Vout PVN O S C /C L K IN O S C /C L K O U T R B /IN T R B1 R B2 R B /P G M R B4 R B5 R B /P G C R B /P G D LE D TH U VSS VC C D LED PH AT TH 1 O U T 10 V1 A A A A A A R E R E R E M C /A N /A N /A N /V R E F -/ C V R E F /A N /V R E F + /T C K I/C O U T /A N /S S * /C O U T R C /T O S O /T C K I /R D * /A N R C /T O S I/C C P /W R * /A N R C /C C P /C S * /A N R C /S C K /S C L R C /S D I/S D A L R */V P P R C /S D O R C /T X /C K R C /R X/D T LE D TH U VSS VC C U R R R R R R D LED PH AT O U T TH 11 12 31 32 VD D VSS VSS VD D P IC F 7 A R R R R R R R R D D D D D D D D /P /P /P /P /P /P /P /P S S S S S S S S P P P P P P P P 33 34 35 36 37 38 39 40 TH TH V c c -5 V SW 15 16 17 18 23 24 25 26 S S S S S S S 19 20 21 22 27 28 29 30 L1 L2 D DEN D io t Vout R R ES Q N PN R R ES T13 T14 U J1 220V~ LS R ELAY R R R R S S S S S S S A B C D E F G D P V c c -5 V BT V c c -5 V C T14 L1 L2 C 12V - D io t c a u + U C C IN 7805 O U T V c c -5 V C C G N D 220V~ L1 J2 B ie n a p Hình 3.1 Sơ đồ mạch ngun lý 2.7.Thuật tốn điều khiển Chương trình có nhiệm vụ: • Kiểm tra xem người vào phòng hay khỏi phòng • Vi điều khiển thực ngắt cổng B để chuơng trình điều khiển thực  Giải thuật: Chương trình điều khiển thực dựa ngắt INTERRUPT vi điều khiển Chương trình hồn tồn khơng tham gia vào việc thực điều khiển, chương trình có chức thực ngắt mạch để Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 27 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy cho cổng B thực điều khiển Các cổng B thực ngắt từ B4 ->B7 Đầu tiên ta bố trí thu phát hồng ngoại gần theo phương tạo thành mặt phẳng song song với mặt đất, thu phát nối với cổng B4 vi xử lý, thu phát thứ nối tới cổng B5 vi xử lý Khi có người qua, để biết người vào hay khỏi phịng Ta cần xem xét xem tín hiệu thu phát thứ bị gián đoạn trước hay tín hiệu thu phát hồng ngoại thứ Nếu mà tín hiệu thu phát thứ bị gián đoạn trước có nghĩa người vào phịng, tín hiệu thu phát thứ bị gián đoạn trước có nghĩa người khỏi phòng Vi xử lý ( cụ thể chương trình ) thực ngắt cổng B để thực đoạn chương trình Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 28 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy  Sơ đồ thuật tốn Trong đó: B4=input_pin(B4): tín Hình 3.2: Sơ đồ thuật tốn hiệu từ Led thu B5=input_pin(B5):tín hiệu từ Led thu Khởi tạo Số ng: số lượng người phòng  Chương trình nạp vào Vi điều khiển Pic 16F877A Ngắt điều khiển Để viết chương trình từ B4->B7 ta sử dụng ngơn ngữ C viết phần Chương Tăng chương trình mềm CCS chạy mơ Proteus Chương trình gồm số trình Đ người lên B4=0 Bật tắtchính‘void den(ng)’, chương trình Hiển thị Led ‘void led(ng)’, đèn chương trình Đếm người vào ‘int dauvao()’, chương trình Đếm người S ’int daura()’, chương trình Ngắt thay đổi trạng thái chân B4->B7 S Số ng> chương trình Chính =1 Đ CácHiển thị biến chương trình : Mảng LED7[10] gồm 10 phần số số người tử, phần tử tương ứng với số từ đến mà Led đoạn hiển thị Bật điện Biến chạy ‘i’ dùng cho vòng lặp để quét Led Biến ‘ng‘ biểu thị cho số người Ngắt từ B4->B7 phòng Biến ‘L1, L2’ để hiển thị Led7 đoạn tương ứng S B5=0 với chữ số hàng chục hàng đơn vị số người phịng Biến ‘vao, ra’ để thu nhận tín hiệu từ đầu hai Led thu : bình thường ‘vao=ra=1’, Đ có người cắt qua thu phát ‘vao=0’, qua thu phát ‘ra=0’ Hai biến Giảm số Đ thu phát hay không ‘x y’ để xác nhận xem có tín Số ngđã qua hiệu người lượt người vào ra: ban đầu ‘x=y=0’, người cắt qua Led thu >0 x=1 ; người cắt qua Led thu y=1 ; người qua thu phát S 1,2 cài đặt lại : x=y=0 chuẩn bị cho lượt Chương trình sử dụng ngắt thay đổi trạng thái cổng B : có Số B4-> B7 cổng B chương trình thay đổi trạng thái chân ng =0 sinh ngắt Trong này, tùy vào Đ hiệu thu cổng B4 B5 tín chương trình ngắt gọi chương trình ‘dauvao’ chương trình Tắt điện ‘daura’ Chương trình ngắt trả giá trị số người phịng ’ng’ Chương trình có vịng lặp vơ hạn giúp hệ thống làm việc liên tục, từ giá trị ‘ng’ trả từ chương trình ngắt, chương trình gọi hàm ‘den(ng)’ ‘Led(ng)’ để thực việc đóng cắt điện hiển thị Star t Bộ môn Kỹ thuật máy tính 29 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế phần cứng Với đồ án môn học Hệ thống nhúng với đề tài ‘‘Hệ thống bật tắt đèn thơng minh dùng cho phịng họp’’, việc thiết kế phần cứng mạch hệ thống cụ thể chia làm khối : - Khối nguồn - Khối cảm biến hồng ngoại - Khối hiển thị - Khối rơle chấp hành - Khối điều khiển 3.2 Thiết kế phần mềm  Mã lập trình : #include //thu vien cho Pic #use delay(clock=20M) // khai bao su dung tre int8 const LED7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; //mang hien thi cac so tu den long i,L1,L2,ng,x,y,vao,ra; //khai bao cac bien //============================================// void den(ng){ if (ng==0) output_a(0); //xuat cong a gia tri : tat den else output_a(1); //xuat cong a gia tri : bat den } //============================================// Bộ mơn Kỹ thuật máy tính 30 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Văn Huy void led(ng){ L1=(ng/ 1) % 10; // Lay so hang don vi L2=(ng/ 10) % 10; // Lay so hang chuc for(i=0;i