Đồ án cửa tự động sử dụng arduino, cảm biến rada và hồng ngoại

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, vi điều khiển có nhiều ứng dụng ngày rộng rãi thâm nhập ngày nhiều lĩnh vực kỹ thuật đời sống Sự phát triển bền vững kinh tế, trị quốc gia giới làm cho nhu cầu đòi hỏi trang trọng tiện nghi nơi làm làm việc nhà hay nơi cơng cộng có nhu cầu cao Sự đời ngày nhiều tòa nhà, khách sạn, trung tâm thương mại, cao ốc văn phòng… với mức độ tự động hóa cao ngày nhiều Nhu cầu nhân lực thiết bị vật tư, giải pháp thiết kế thi cơng cao Đó lĩnh vực nghiên cứu đầu tư kinh doanh khả thi tương lai khơng xa Sau hồn thành xong chương trình đại học ngành điện tự động hóa, trương Đại học Công nghiệp Hà Nội, chúng em giao thực đề tài tốt nghiệp: “ Thiết kế hệ thống đóng mở cửa tự động dùng cảm biến cho sảnh tồn nhà ” với hướng dẫn Ths Hoàng Duy Khang giảng viên trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống cửa tự động phân loại Chương 2: Hê thống cảm biến cấu chấp hành hệ cửa tự động Chương 3: Giới thiệu Arduino UNO R3 Mạch vi điều khiển ATmega328 Chương 4: Xây dựng sơ đồ khối chức lập trình hệ thống Chương 5: Thiết kế mơ hình mơ kết Sau gần tháng thực hiện, với cố gắng, nỗ lực tìm tòi nghiên cứu làm việc nghiêm túc thân, đồ án hoàn thành, song trình độ kiến thức hạn chế thời gian có hạn nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp quý báu từ thầy cô, bạn sinh viên để đề tài phát triển, hồn thiện có tính khả thi tương lai Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa điện – tự động hóa trường Đại học Cộng nghiệp Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài này, đặc biệt Ths Hoàng Duy Khang giảng viên hương dẫn có cơng lớn hướng dẫn, bảo em thực đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn nội dung số liệu đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống đóng mở cửa tự động dùng cảm biến cho sảnh tồn nhà” em làm thực Sinh viên thực Đàm Tuấn Thành Hoàng Mạnh Chiến Phạm Ngọc Tú Đinh Gia Quang Mụ c lụ c LỜI NÓI ĐẦU - LỜI CAM ĐOAN - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Tổng quan hệ thống cửa tự động Ưu điểm cửa tự động Ứng dụng cửa tự động 1.2 Các loại cửa tự động 1.2.1 Cửa kéo - 1.2.2 Cửa - 1.2.3 Cửa trượt 10 1.3 Khảo sát số loại cửa đóng mở tự động - 10 1.4 Kết cấu khí 11 1.4.1 Khung cửa tự động - 11 1.4.2 Cơ cấu truyền động cửa tự động 12 1.4.3 Cánh cửa 12 1.4.4 Puli 13 1.5 Các yêu cầu mục đích chế tạo mơ hình cửa đóng mở tự động - 13 1.5.1 Các u cầu mơ hình 13 1.5.2 Yêu cầu chương trình chung 13 1.5.3 Yêu cầu khí 14 1.5.4 Mục đích việc chế tạo mơ hình - 14 CHƯƠNG 2: 15 HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRONG HỆ CỬA TỰ ĐỘNG 15 2.1 Hệ thống cảm biến - 15 2.1.1 Khái niệm chung cảm biến - 15 2.1.2 Phân loại cảm biến 15 2.1.3 Vai trò cảm biến 15 2.2 Lựa chọn cảm biến cho đề tài - 16 2.2.1 Khái niệm tia hồng ngoại 16 2.2.2 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK - 16 2.2.3 Module cảm biến Radar RCWL-0516 - 17 2.2.4 Cảm biến hồng ngoại HC-SR501 - 19 2.3 Cơ cấu chấp hành hệ cửa tự động - 21 2.3.1 Cấu tạo động DC - 21 2.3.2 Cơng tắc hành trình - 24 2.3.3 Module điều khiển động L298N- để điều khiển động DC - 27 CHƯƠNG 3: 29 GIỚI THIỆU VỀ MẠCH ARDUINO UNO R3 VÀ CHIP VĐK ATMEGA328 29 3.1 Giới thiệu Arduino 29 3.2 Giới thiệu vi điều khiển Atmega 328 32 3.2.1 Cấu trúc vi điều khiển Atmega328 34 3.2.2 Các chân vi điều khiển Atmega328 35 3.2.3 Mô tả chức chân 36 3.2.4 Timer/Counter ATmega328 37 3.2.5 Ngắt Arduino - Interrupts - 41 3.3 Xung PWM Arduino 44 CHƯƠNG 4: 47 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG VÀ LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 47 4.1 Sơ đồ khối - 47 4.1.1 Sơ đồ khối tổng quát - 47 4.1.2 Chức khối - 47 4.2 Lập trình hệ thống 52 4.2.1 Phần mềm lập trình – Arduino IDE - 52 4.2.2 Ngôn ngữ lập trình 55 4.2.3 Lưu đồ thuật toán 56 CHƯƠNG 5: 58 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ - 58 5.1 Phần mềm mô phỏng 58 5.1.1 Phần mềm Proteus - 58 5.1.2 Thiết kế sơ đồ ngun lí và mơ phỏng - 59 5.2 Thi công mô hình thực tế - 61 5.2.1 Cách thức hoạt động động - 61 5.2.2 Các chế độ hoạt động hệ thống - 62 5.2.3 Hoàn thiện mơ hình - 63 5.3 Kết - 64 PHỤ LỤC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Tổng quan hệ thống cửa tự động Ưu điểm cửa tự động - Được tăng cường chức bảo vệ an tồn khỏi tình trạng bị kẹp cửa, bao gồm khả tự động đảo chiều gặp vật cản trang bị cảm biến an toàn hồng ngoại - Được trang bị tính tự chẩn đốn lỗi, tự kiểm tra toàn thiết bị khởi động hoạt động - Được trang bị tính bảo vệ nhiệt động chức cảnh báo, ngắt motor hoạt động tải - Sử dụng bánh hộp số có t̉i thọ cao, bền bỉ, độ ồn hoạt động thấp động hiệu cao - Có sẵn nhiều chức lựa chọn từ xa thiết bị cầm tay - Có chức cho phép cửa hoạt động tốc độ đóng-mở cao chức ngăn ngừa tượng cửa mở không phép - Cửa tự động đem lại cảm giác thoải mái cho người dùng, loại bỏ hoàn toàn cảm giác ngại, khó chịu dùng cửa thường - Nếu người dùng bê vác vật (bằng hai tay) cửa tự động khơng tạo cảm giác thoải mái mà tạo thuận lợi cho người dùng hồn thành cơng việc mà khơng bị cản trở - Sử dụng cửa tự động giúp người dùng đỡ tốn thời gian để đóng mở cửa tức tiết kiệm cho họ khoảng tời gian dù nhỏ cần thiết nhịp sống công nghiệp đại ngày Ứng dụng cửa tự động Ở nơi công cộng, cửa tự động ngày phát huy ưu điểm giúp cho lưu thơng qua cửa nhanh chóng, dễ dàng, giảm va chạm nhiều người sử dụng chung cánh cửa Thêm vào đó, hệ thống máy lạnh sử dụng rộng rãi nơi công sở, công cộng Nếu ta dùng loại cửa bình thường phải đảm bảo cửa ln đóng khơng có người qua lại để tránh thất lạnh ngồi gây lãng phí Thế điều thực tế lại khó thực ý thức người nơi cơng cộng khác Do đó, cửa tự động, với tính chất ln đóng khơng có người qua lại đáp ứng tốt u cầu Chính ưu điểm nởi bật cửa tự động mà phải phát triển ứng dụng rộng rãi hơn, đồng thời nghiên cứu để cải tiến nâng cao chất lượng hoạt động cửa tự động để ngày đại hơn, tiện ích - Cửa nhơm kính tự động thường lắp nơi đông người qua lại như: + Trường học, bệnh viện + Khu trung tâm mua sắm, siêu thị, + Nhà hàng, Khách sạn + Sân bay, nhà ga + Nhà xưởng 1.2 Các loại cửa tự động 1.2.1 Cửa kéo Hiện có nhiều loại cửa tự động : cửa kéo, cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt Nhưng chúng thường sản xuất nước bán việt nam với giá thành cao Vì chúng khơng sử dụng rộng rãi Nhu cầu cửa tự động Việt Nam lớn lượng chủng loại Hình 1:Cửa kéo Loại cửa lạ nước ta, với kết cấu đơn giản động gắn cố định với trần nhà Cửa động kéo đoạn dây Ưu điểm loại đơn giản hiệu quả, cánh cửa Có lẽ nhược điểm loại cửa động gắn với trần nhà cần phải gắn đủ để chịu sức nặng cửa Vì thực tế người ta sử dụng loại cửa kéo nhược điểm phải gắn đủ để chịu sức nặng không nguy hiểm cho người sử dụng 1.2.2 Cửa Hình 2:Cửa Loại cửa với cánh cửa có khả cuộn tròn lại Khi có tín hiệu điều khiển đóng mở cửa, động cửa tác động qua trục cửa cuộn tròn quanh trục Loại cửa có ưu điểm gọn nhẹ tiện dụng dễ sử dụng, cần động công suất nhỏ Thường dùng làm cửa cho gara ơtơ Nó có tính kinh tế cao dễ chế tạo Nhưng có nhược điểm cửa khơng chắn dễ bị han loai khác 1.2.3 Cửa trượt Hình 3:Cửa trượt Loại có đặc điểm có rãnh cố định cho phép cánh cửa trượt qua lại Cửa trượt có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dạng rãnh trượt rãnh thẳng loại cửa chuyển động tịnh tiến, rãnh tròn loại cửa chuyển động xoay tròn Loại cửa thường sử dụng nhà hàng, khách sạn, sân bay, nhà ga … Cửa có ưu điểm kết cấu nhẹ nhàng tạo cảm giác thoáng đạt, thoải mái lịch Loại cửa thiết kế dễ dàng, nhận biết người, máy móc qua Loại cửa nước ta sử dụng phổ biến 1.3 Khảo sát số loại cửa đóng mở tự động Thơng qua việc quan sát, tìm hiểu cửa tự động số địa điểm, ta nhận thấy cửa tự động sử dụng chủ yếu nơi giao dịch thương mại, công sở lớn, sân bay, ngân hàng khách sạn lớn Vì nơi có lượng người qua lại lớn, đồng thời nơi lại yêu cầu có tính đại, sang trọng tiện dụng Sử dụng cửa tự động nơi đáp ứng yêu cầu 10 Lưu đồ thuật tốn 4.2.3  Chế độ auto: đóng mở cửa tự động phát chuyển động Bắt đầu Khởi tạo in, out, ngắt ngoài S Chương trình phục vụ ngắt CB=0; Đ S state=0; (đóng) state=1; (mở) Đ S S CTHT3=0; (giới hạn mở) CTHT4=0; (giới hạn đóng) Đ Đ Động chạy ngược – đóng cửa Động chạy thuận – mở cửa Dừng động Dừng động S CB=0; S CTHT2=0; Đ CTHT1=0; Cho phép Timer1 đếm giây Đ S Giảm tốc độ đóng cửa Giảm tốc độ mở cửa count = 3s; Đ state = 0; dừng Timer1 END 56 CTC phục vụ ngắt state=1; count=0; END 57 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 5.1 Phần mềm mô 5.1.1 Phần mềm Proteus Proteus phần mềm mô thiết kế mạch in Phần mềm bao gồm hai thành phần ISIS AREA ISIS phần mềm mô mạch, mơ mạch số mạch tương tự, nhiên, điểm mạnh tích hợp nhiều thư viện linh kiện số, đặc biệt vi điều khiển Trong trình thiết kế mạch số, cần mô phần mềm vi điều khiển PIC, AVR, 8501…, phần mềm lý tưởng Bên cạnh đó, tịch hợp mô mạch tương tự, mô ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog,… Hình 37: Giao diện khởi động Proteus AREA phần mềm thiết kế mạch in, nhẹ, có chế độ tự động dây thông minh, nhiên việc quản lý linh kiện chưa hiệu tính chưa đa dạng nên phù hợp với thiết kế cho dự án nhỏ 58 5.1.2 Thiết kế sơ đồ ngun lí mơ phỏng Tại hình khởi động Proteus, ta chọn New Project đặt tên cho dự án, chọn vị trí lưu máy tính, bấm Next để chọn khung vẽ nguyên lí, bấm Next lần lựa chọn tiêu chuẩn vẽ mạch in, bấm Finish ta chuyển tới giao diện vẽ mạch nguyên lí ISIS Hình 38: Giao diện vẽ mạch ISIS Bấm phím tắt p (pick devices) mở cửa sở chọn linh kiện, khung tìm kiếm gõ tên linh kiện cần dùng bấm ok để chọn linh kiện vẽ Hình 39:Chọn linh kiện 59 Sau chọn đủ linh kiện, tiến hành xếp linh kiện dây chúng với cách bấm chọn vào chân linh kiện kéo tới vị trí chân linh kiện cần đấu nối Hình 40: Sắp xếp linh kiện và dây Chọn file hex biên dịch từ phần mềm lập trình Arduino, kết nối thêm chân pin Arduino với Virtual Terminal để giám sát hoạt động Bấm chạy mô ta kết quả: Hình 41: Kết mô phỏng 60 5.2 Thi công mô hình thực tế 5.2.1 Cách thức hoạt động động a Chạy thuận (Cửa mở):  Khi có tín hiệu cảm biến nhận dạng chuyển động tín hiệu cảm biến chống kẹt hoặc tín hiệu mở cửa từ nút bấm Đèn báo mở cửa sáng, cửa tự động mở với tốc độ V1  Gặp cơng tắc hành trình CT2 giữ ngun tốc độ V1  Gặp cơng tắc hành trình CT1 cửa mở với tốc độ V2 < V1  Gặp cơng tắc hành trình CT3 cửa mở với tốc độ V3 = b Chạy nghịch (Cửa đóng):  Khi khơng tín hiệu cảm biến nhận dạng chuyển động tín hiệu cảm biến chống kẹt tín hiệu đóng cửa từ nút bấm Đèn báo mở nhấp nháy, sau 2s đèn báo tắt, cửa tự động đóng lại với tốc độ -V1  Gặp cơng tắc hành trình CT1 giữ nguyên tốc độ -V1  Gặp cơng tắc hành trình CT2 cửa mở với tốc độ |−V2 | < |−V1 |  Gặp công tắc hành trình CT4 cửa mở với tốc độ |−V3 | = CT3 CT4 CT2 CT1 Cánh cửa Hình 42:Sơ đồ bố trí công tắc hành trình 61 5.2.2 Các chế độ hoạt động hệ thống Một hệ thống đóng mở cửa tự động liên tục cần thiết phải có chế độ hoạt động giữ cửa đóng, giữ cửa mở chế độ auto – tự động đóng mở phát xuất người (Công tắc) Giữ đóng Cảm biến chuyển động Giữ mở Bộ điều khiển động – cấp nguồn ĐC Cơ cấu đóng mở cửa Auto Cảm biến chống kẹt Bộ điều chỉnh chế độ Công tắc hành trình Hình 43: Ngun lí hoạt động Việc chuyển đởi chế độ thực tay thiết bị đóng cắt cơng tắc, nút bấm kết nối tới chân số điều khiển Arduino Khi chân mức HIGH, Arduino thực mở cửa, mức LOW đóng cửa, cần đấu nối điều khiển tay sau để hệ thống hoạt động có chế độ Với SW1 cơng tắc chuyển chế độ đóng, SW2 công tắc chuyển chế độ giữ cửa mở chế độ auto, RL1 RL2 relay tác động cảm biến chống kẹt cảm biến chuyển động Hình 44:Đấu nối điều khiển bằng tay 62 Ở chế độ giữ cửa đóng, cửa mở đèn báo hiệu nhấp nháy sau 2s thực đóng cửa, cửa giữ nguyên trạng thái đóng khơng bị tác động hệ thống cảm biến Chế độ kết hợp với thiết bị khác khóa điện, khóa vân tay để đảm bảo an ninh, an toàn, ngăn cản xâm nhập trái phép vào tòa nhà Tương tự với chế độ giữ cửa mở, cửa mở ta chuyển đổi chế độ khác Với chế độ auto, ngồi việc đóng mở tự động phát chuyển động, để đảm bảo an toàn cửa mở cảm biến chống kẹt phát có vật cản cửa q trình cửa đóng vào Ta lắp đặt hệ thống gồm có loại cảm biến cảm biến chuyển động cảm biến chống kẹt, cảm biến chuyển động cảm biến radar đâm xuyên số vật cản nhựa, gỗ mỏng nên tiện che dấu Cảm biến chống kẹt cảm biến thu phát hồng ngoại nên cần lắp đặt song song với mặt cửa kính 5.2.3 Hồn thiện mơ hình Hình 45:Hình ảnh mơ hình mặt trước mô hình hệ thống cửa tự động 63 Hình 46: Hình ảnh mặt sau mô hình cửa tự động 5.3 Kết Quan sát trình chạy động ta thấy động chạy với cấp tốc độ, độ rộng xung đo chương trình mơ sau Hình 47: Hình ảnh xung đo động 64 PHỤ LỤC  Chương trình nạp cho Arduino UNO #include // thư viện Interrupt AVR int state; volatile int dems = 0, times ; void mo() { Serial.println("opening"); // gửi liệu tới máy tính state = 1; TIMSK1 = (0