Lập trình thiết kế hệ thống chuông báo tại trường học

LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển, ngành tự động hóa đạt đƣợc nhiều tiến Tự động hóa khơng làm giảm nhẹ sức lao động cho ngƣời mà cịn góp phần lớn việc nâng cao suất lao động, cải thiện chất lƣợng sản phẩm Chính tự động hóa ngày khẳng định đƣợc vị trí nhƣ vai trị ngành cơng nghiệp đƣợc phổ biến rộng rãi hệ thống công nghiệp giới nói chung Việt Nam nói riêng Khơng dừng lại đó, phát triển tự động hóa cịn đem lại nhiều tiện ích phục vụ đời sống hàng ngày cho ngƣời Một minh chứng rõ nét đời chng báo tự động với nhiều tiện ích hơn, đa Để phục vụ tốt đời sống ngƣời thời điểm xã hội ngày đại phát triển nay, ln địi hỏi cải tiến cơng nghệ tính tiện ích cho chuông tự động báo.Việc ứng dụng thành công thành tựu lý thuyết điều khiển tối ƣu, cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ máy tính, cơng nghệ điện điện tử lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác năm gần dẫn đến đời phát triển thiết bị điều khiển logic có khả lập trình ( PLC ) Cũng từ tạo cách mạng lĩnh vực kỹ thuật điều khiển Ngày biết rõ cơng nghệ PLC đóng vai trị quan trọng lƣợng làm não cho phận cần tự động hoá giới hố Do điều khiển logic khả lập trình ( PLC ) cần thiết kỹ sƣ khí nhƣ kỹ sƣ điện , điện tử, từ giúp họ nắm đƣợc phạm vi ứng dụng rộng rãi kiến thức PLC nhƣ cách sử dụng thông thƣờng Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đƣợc giao nhiệm vụ nghiên cứu với đề tài: “lập trình thiết kế hệ thống chuông báo trường học” Đây đề tài khơng hồn tồn nhƣng phù hợp với thực tế trƣờng trung cấp, cao đẳng đại học nay, sâu nghiên cứu thấy hấp dẫn thấy đƣợc vai trị việc điều khiển tự động Xác định rõ nhiệm vụ em cố gắng hết sức, tập trung tìm hiểu Kết thu đƣợc chƣa nhiều bị hạn chế kiến thức, thời gian kinh nghiệm nhƣng giúp em có thêm kiến thức để sau trƣờng có tảng tiếp cận đƣợc với công nghệ Trong trình làm đồ án trình độ hiểu biết em có hạn, nên nội dung đồ án khơng tránh khỏi sai sót Vì em mong đƣợc bảo góp ý thầy nhƣ ngƣời quan tâm đến vấn đề Qua đồ án cho em xin đuợc bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Đoàn Phong, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tận tình, giúp đỡ bảo cho em, tồn thể thầy cô giáo khoa nhà trƣờng giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em để hơm em hồn thành đồ án cách đầy đủ CHƢƠNG CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG TRƢỜNG HỌC 1.1 CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG TRƢỜNG HỌC Hẳn trải qua năm tháng học trò từ cấp đến cấp 2, cấp năm tháng học đầu đời gắn liền với tiếng trống tựu trƣờng, tiếng trống báo tiết học hay làm nhịp tập thể dục tiếng trống sâu vào tiềm thúc ngƣời Việt Nam Và dƣờng nhƣ nét văn hoá ngƣời Việt Ở cấp phổ thông, thông thƣờng quy mô trƣờng thƣờng nhỏ diện tích trƣờng nhƣ số lƣợng học sinh Thông thƣờng 3000m2 chở lại cách bố trí phịng học thƣờng xây phịng xát tập trung vào khu Vì việt sử dụng trống để báo tiết họ thích hợp Nhƣng cấp học cao đại học, cao đẳng việc sử dụng tiếng trống tiếng kẻng để báo tiết học lại không hợp lý không hợp lý nguyên nhân :  Khuôn viên trƣờng thƣơng lớn( thƣờng từ vài Ha trở lên)  Số lƣợng sinh viên lớn  Cách bố chí phịng học, phịng thí nghiệm chia theo khu, khoa riêng biểt  Khu giảng đƣờng thƣờng xây kến trúc nhà tầng thƣờng từ tầng trở nên Từ nguyên mà ta sƣ dụng trống, kẻng để báo tiết học Thay vào ngƣời ta sƣ dụng hệ thống chng bấm Hệ thống chuông điện giải đƣợc vấn đề:  Lắp đặt dễ dàng, hệ thống bao gồm nhiều chng đƣơc bố trí đƣợc nhiều địa điểm cần thiết  Việc điều khiển đơn giản, cần ngƣời bảo vệ ngồi phòng ấn nút điều khiển  Độ tin cậy cao Nhƣng nhƣợc điểm lớn hệ thống chng bấm ngƣời Phải ngƣời thƣờng xuyên phải trực để bấm chng báo Đơi ngƣời trực ngủ quên xem nhầm giờ, nhiều nguyên nhân khách quan khác ảnh hƣởng đến sai lệch thời gian tiết học khó phân biệt tiếng chuông vào lớp, chơi hay tan học Đứng trƣớc vấn đề cần phải thiết kế hệ thống chuông báo tự động trƣờng học Hệ thống chuông tự động có ƣu điểm:  Thuật tốn lập trình đơn giản  Độ xác, độ tin cậy cao  Khơng cần có ngƣời trực điều khiển cần ấn nút khổi động lần hệ thống chạy tự động hoàn toàn liên tục nhiều năm liên tiếp  Phân biệt rõ tiếng chuông vào lớp chơi 1.2 PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU DỒ ÁN 1.2.1 Mục đích:  Hệ thống báo chng thời điểm vào, tiết học trƣờng  Hệ thống có khả chỉnh lại  Thời gian kéo dài chuông vào tiết nghỉ giải lao khác  Hệ thống chuông đƣợc dùng dây điện đồng 220V 1.2.2 Yêu cầu:  Hệ thống làm việc ổn định  Có khả đƣa mơ hình vào ứng dụng thực tế 1.2.3 Thời gian tiết học Trong trình học tập tìm hiểu thực tế thời điểm ra, vào tiết học trƣờng ĐH dân lập Hải Phịng nhƣ sau: Có buổi học ngày, ca có tiết học tiết kéo dài 45 phút, chơi tiết phút, riêng thời gian chơi tiết buổi 10 phút Thời gian bắt đầu buổi học đƣợc chia theo mùa năm, để phù hợp với thời tiết khoảng thời gian ngày đêm Ta chia làm hai mùa:  Mùa hè khoảng đầu tháng đến tháng 11 hàng năm Với mùa hè ca sáng 6h30 kết thúc vào 11h30 Ca chiều 13h00 kết thúc 18h00  Mùa đông khoảng tháng 11 đến đầu tháng hàng năm Ca sáng 6h45 kết thúc vào 11h45 Ca chiều 12h30 kết thúc 17h30 1.2.3.1 Giờ học mùa hè Buổi sáng: Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Vào tiết học 6h30 7h20 8h10 9h5 9h55 10h45 Hết tiết 7h15 8h5 8h55 9h50 10h40 11h30 Thời gian chơi 5` 5` 10` 5` 5` Buổi chiều: Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết 10 Tiết 11 Tiết 12 Hết tiết 13h45 14h35 15h25 16h20 17h10 18h00 Thời gian chơi(phút) 5` Vào tiết học 6h45 7h50 8h25 9h20 10h10 11h00 Hết tiết 7h30 8h20 9h10 10h5 10h55 11h45 Thời gian chơi 5` 5` 10` 5` 5` Vào tiết học 12h30 13h20 14h10 15h5 15h55 16h45 Hết tiết 13h15 14h5 14h55 15h50 16h40 17h30 Thời gian 5` chơi(phút) 5` 10` 5` 5` Vào tiết học 13h00 13h50 14h40 15h35 16h25 17h15 5` 10` 5` 5` 1.2.3.2 Giờ học mùa đông Buổi sáng: Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Buổi chiều: Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết 10 Tiết 11 Tiết 12 1.3 CẤU TẠO VÀ NGHUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHNG ĐIỆN 1.3.1 Cấu tạo Hình 1.1: cấu tạo chng điện Chng điện có cấu tạo gồm phần chính: Cuộn giây ( nam châm điện) Búa gõ Chuông Miếng sắt (tác dụng để nam châm điện hút, kéo búa gõ gõ vào chuông) Chốt kẹp 1.3.2 Nguyên lý Bộ phận chng điện nam châm điện Nam châm điện có cấu tạo cuộn dây điện quấn quanh lõi kim loại từ tính nhƣ sắt hay thép Chúng hoạt động ngun lý đơn giản nhƣ sau: Khi có dịng điện qua cuộn dây chúng tạo từ trƣờng lõi kim loại Cuộn dây khuếch đại từ trƣờng nam châm điện hút vật chất sắt thép xung quanh giống nhƣ nam châm vĩnh cửu thơng thƣờng Khi nhấn cơng tắc, dịng điện 220V đƣợc khép kín Đầu tiên dịng điện qua máy biến áp đơn giản để giảm điện áp xuống khoảng vài vôn để vận hành chng điện Tiếp dịng điện đƣợc giảm áp vào hệ thống mạch chuông điện Mạch chuông điện mạch tự gián đoạn Một mạch chuông đơn giản bao gồm chi tiết (theo sơ đồ) sau: mạch điện mắc nối tiếp với sắt qua tiếp điểm Một đầu sắt gắn với đầu gõ chuông, đầu nối với thép đàn hồi đƣợc cố định chốt kẹp Nam châm điện đƣợc gắn vào hai đầu dây dẫn cho vị trí hút đƣợc sắt Tất tạo thành mạch khép kín Khi ta ấn vào nút chng điện, dòng điện vào mạch điện tạo thành mạch kín, nam châm điện hoạt động từ gây từ tính, hút sắt phía đồng thời gây tiếng kêu đầu sắt gõ vào chuông Tuy nhiên đó, sắt hở tiếp điểm làm mạch điện bị ngắt khiến nam châm điện tác dụng thả sắt Lá sắt lại chạm vào tiếp điểm, mạch lại đƣợc đóng kín quy trình lặp lặp lại miễn ấn vào nút chuông điện Bằng cách này, nam châm điện tự tắt mở, gây âm không ngừng Cũng với nguyên tắc này, ngƣời ta thiết kế nhiều loại chng điện có âm khác nhƣ tiếng chuông rè báo hiệu học, tiếng cịi cứu hỏa hay tiếng “kính coong” quen thuộc gia đình CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG ĐIỆN 2.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG ĐIỆN 2.1.1 Phƣơng pháp dùng vi điều khiển Thành phần điều khiển vi điều khiển đƣợc ngƣời thiết kế lập trình đổ ghi vào nhớ vi điều khiển, thực lệnh vi điều khiển kiểm tra khống chế thiết bị bên (Động cơ, cảm biến, rơle, công tắc, ) kiểm tra xong thiết bị vi điều khiển thực theo lệnh lập trình đƣa định điều khiển Vi điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ thiết bị đầu vào nhƣ : cảm biến, cơng tắc hành trình, nút điều khiển hay tín hiệu đƣa vào từ bàn phím Đây thiết bị đƣa lệnh điều khiển yêu cầu cho thiết bị phải đảo bảo độ tin cậy cao để có đƣợc lệnh điều khiển xác Tín hiệu đầu vi điều khiển đóng vai trị lệnh điều khiển đối tƣợng điều khiển Đối tƣợng cuộn hút chng điện Lập trình đọc thời gian (RTC), thời gian thực với khoảng thời gian cài đặt trƣớc khoảng thời gian chơi vào lớp set chân điều khiển lên chuông kêu Vi điều khiển gồm khối con:  RTC khối tạo đồng hồ gian thực Giao tiếp hai chiều với vi điều khiển  Khối chng báo Là khối chƣơng trình lập trình đƣợc đƣa vào để vi điều khiển so sánh với thời gian RTC  Khối hiển thị hiển thị giao tiếp với ngƣời vận hành Hiển thị thời gian 10 56 57 58 59 60 61 62 63 64 KẾT LUẬN Đồ án “lập trình thiết kế hệ thống chng báo trường học ” em tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển hệ thống chuông báo tự động cho trƣờng học, giải việc báo hiệu vào/ra tiết học trƣờng học cách tự động Trong đồ án em tìm hiểu đƣa phƣơng pháp điều khiển chuông báo tối ƣu nhất, tự động nhất, với việc chuông hoạt động theo mùa, không báo vào thứ 7, ngày lễ, kỳ học Có hai chế độ hoạt động auto tự động Với việc sử dụng PLC S7-200 CPU 214 có nhữ hạn chế số hàm tính tốn chuyển đổi (convert), nhƣ khơng có hàm chuyển đổi từ dạng Byte sang Int (B_I) ngƣợc lại (I_B) chƣơng trình viết khơng thể tối ƣu hố mặt tính tốn thời gian chơi tự động, để sử dụng cho nhiều trƣờng hợp nhiều môi trƣờng khác Nên việc chuyển giao công nghệ cho trƣờng khác nhău phức tạp Với vấn đề ta có đƣợc nghiên cứu khác phục, tìm hiểu sâu đồ án sau sử dụng đời PLC cao Đồ án đƣợc thực thời gian ngắn khơng tránh khỏi sai sót mong thầy thơng cảm giúp đỡ em hồn thiện đồ án Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Nguyễn Đoàn Phong hƣớng dẫn giúp em hoàn thành đồ án Đồng thời em xin cảm ơn tất thầy cô dạy dỗ em suốt bốn năm học vừa qua, nhờ thầy cơ, em có đƣợc kiến thức nhƣ ngày hơm Hải phịng, ngày tháng năm 2011 Sinh viên 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Th.S Châu Chí Đức, Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC Simatic S7200, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liêm, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, nhà xuất khoa học kỹ thuật Tống Văn On, Hoàng Đức Hải, họ nhà vi diều khiển 8051, Nhà xuất lao động - xã hội Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh (2000), Tự động hoá với Simatic S7-200, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Webside: www.lib.hpu.edu.vn www.tailieu.vn www.google.com.vn 66 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG TRƢỜNG HỌC 1.1 CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG TRƢỜNG HỌC 1.2 PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU DỒ ÁN 1.2.2 Yêu cầu: 1.2.3 Thời gian tiết học 1.2.3.1 Giờ học mùa hè 1.2.3.2 Giờ học mùa đông 1.3 CẤU TẠO VÀ NGHUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUÔNG ĐIỆN 1.3.1 Cấu tạo 1.3.2 Nguyên lý CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG ĐIỆN 10 2.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG ĐIỆN 10 2.1.1 Phƣơng pháp dùng vi điều khiển 10 2.1.2 Phƣơng pháp dùng Modul LOGO! 16 2.1.2.1 Thống số LOGO!230RC 16 2.1.2.2 Đầu đầu vào LOGO!230RC 17 2.1.2.3 Sơ đồ đấu nối 17 2.1.2.4 Đồng hồ (khoá định thời gian) 18 2.1.3 Phƣơng pháp dùng PLC S7-200 22 2.1.3.1 Đồng hồ thời gian thực 24 2.2 SO SÁNH CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 26 67 2.2.1 Phƣơng pháp dùng vi điều khiển 26 2.2.1.1 Ƣu điểm 26 2.2.1.2 Nhƣợc điểm 26 2.2.2 Phƣơng pháp dùng LOGO! 26 2.2.2.1 Ƣu điểm 26 2.2.2.2 Nhƣợc điểm 27 2.2.3 Phƣơng pháp dùng PLC S7-200 27 2.2.3 Ƣu điểm 27 2.2.3.2 Nhƣợc điểm 28 2.2.4 Nhận xét lựa chọn phƣơng án 28 CHƢƠNG ỨNG DỤNG PLC VÀO ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG BÁO TIẾT HỌC TỰ ĐỘNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC 30 3.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TỰ ĐỘNG HOÁ VÀ PLC 30 3.1.1 Sự phát triển tự động hoá 30 3.1.2 Sự phát triển PLC 30 3.2 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC S7-200 32 3.2.1 Giới thiệu chung họ PLC S7-200 32 3.2.2 Cấu trúc chung họ PLC S7-200 33 3.2.2.1 Cấu trúc phần cứng 33 3.2.2.2 Cổng truyền thông 34 3.2.2.3 Cấu trúc nhớ PLC S7-200 36 3.2.3 Phƣơng thức thực chƣơng trình PLC 37 68 3.3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHNG BÁO TIẾT HỌC TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC 39 3.3.1 Lựa chộn thiết bị dùng mơ hình 39 3.3.1.1 u cầu mơ hình 39 3.3.1.2 Mục đích việc chế tạo mơ hình 39 3.3.2 Lựa chọn thiết bị cho mô hình 40 3.3.2.1 PLC S7-214 40 3.3.2.2 Chuông điện 40 3.3.2.3 Đèn báo 41 3.3.2.4 Rơle 41 3.3.2.4 Bộ nguồn 41 3.3.3 Yêu cầu chƣơng trình 42 3.3.4 Lƣu đồ thuật toán điều khiển 43 3.3.5 Bảng bố chí địa vào/ra PLC 48 3.3.6 Mạch đầu vào, đầu 48 3.3.6.1 Đầu vào PLC 48 3.3.6.2 Đầu PLC 49 3.3.6.3 Mạch động lực 49 3.3.7 Mơ hình chng báo tiết học tự động 50 3.3.8 Chƣơng trình viết cho PLC S7-200 51 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 69 70 ... tiếng chng vào lớp, chơi hay tan học Đứng trƣớc vấn đề cần phải thiết kế hệ thống chuông báo tự động trƣờng học Hệ thống chng tự động có ƣu điểm:  Thuật tốn lập trình đơn giản  Độ xác, độ tin... cầu chƣơng trình  Chng thiết kế phải báo chuông vào/ra tiết học chuẩn xác,  Chuông thiết kế thông minh với việc ngừng hoạt động vào ngày lễ, tết (dƣớng lịch), đợt nghỉ hè Không báo chuông vào... chế tạo mơ hình Tạo mơ hình chng báo tiết học tự động trƣờng đại học hoạt động tốt, từ thiết kế đƣợc hệ thống chng báo tiết học tự động hoàn chỉnh cho trƣờng học Việc chế tạo mơ hình hoạt động