Vi xử lý ứng dụng bãi đỗ xe tự động

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG 1.1. MỞ ĐẦU Hiện nay, các bãi đỗ xe công cộng nhu ở các khu phố, khu chung cư, hội chợ .việc quản lý gặp nhiều khó khăn. Số lượng xe vào và xe ra là ngẫu nhiên, có lúc nhiều xe, có lúc ít xe, nhiều khi lại ách tắc quá tải. Công việc quản lý tưởng chừng như đơn giản song lại tốn nhiều nhân lực: người thì bán vé, người thu vé người thì phải thường xuyên giám sát số lượng xe có trong bãi .bên cạnh đó việc kiểm soát vé là cũng khó khăn. Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin…. do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Áp dụng những thành tựu khoa học ta có thể sử dụng các phương tiện hoàn toàn tự động để điều khiển bãi đỗ xe tự động, không những giảm được nhân lực , đáp ứng được kinh tế mà còn có thể kiểm soát được số lượng vé trong ngày, tháng quý . Trong giới hạn đề tài em chỉ thiết kế hệ thống điều khiển bãi đỗ xe với việc đếm số lượng xe ra vào hay quản lý số chỗ đỗ xe, số xe có trong bãi và điều khiển thanh chắn ra vào. Để thực hiện được điều đó cần phải thiết kế hai phần chính sau: bộ phận cảm biến và bộ phận đếm. * Bộ phận cảm biến: gồm phần phát và phần thu. Thông thường người ta sử dụng phần phát là led hồng ngoại để phát ra ánh sáng hồng ngoại mục đích để 1 chống nhiễu so với các loại ánh sáng khác, còn phần thu là transistor quang để thu ánh sáng hồng ngoại. * Bộ phận đếm: có nhiều phương pháp thực thi đó la -Lắp mạch dùng kỹ thuật số với các IC đếm, chốt, so sánh ghép lại -Lắp mạch dùng kỹ thuật vi xử lí -Lắp mạch dùng kỹ thuật vi điều khiển 1.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.2.1. Với mạch đếm sản phẩm dùng IC rời • Ưu điểm: -Cho phép tăng hiệu suất lao động -Đảm bảo độ chính xác cao -Tần số đáp ứng của mạch nhanh, cho phép đếm với tần số cao -Khoảng cách đặt phần phát và phần thu xa nhau cho phép đếm những sản phẩm lớn. -Tổn hao công suất bé, mạch có thể sử dụng pin hoặc accu -Khả năng đếm rộng -Giá thành hạ -Mạch đơn giản dễ thực hiện Với việc sử dụng kỹ thuật số khó có thể đáp ứng được việc thay đổi số đếm. Muốn thay đổi một yêu cầu nào đó của mạch thì buộc lòng phải thay đổi phần cứng. Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện được bằng phương pháp này. Với sự phát triển mạnh của nghành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ vi xử lí và vi điều khiển rất đa chức năng do đó việc dùng kỹ thuật vi xử lí, kỹ thuật vi điều khiển đã giải quyết những bế tắc và kinh tế hơn mà phương pháp dùng IC rời kết nối lại không thực hiện được. 1.2.2. Với mạch đếm sản phẩm dùng kỹ thuật vi xử lí 2 Ngoài những ưu điểm như đã liệt kê trong phương pháp dùng IC rời thì mạch đếm sản phẩm dùng kỹ thuật vi xử lí còn có những ưu điểm sau: -Mạch có thể thay đổi số đếm một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm, trong khi đó phần cứng không cần thay đổi mà mạch dùng IC rời không thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người công nhân cũng khó tiếp cận, dễ nhầm. - Số linh kiện sử dụng trong mạch ít hơn. -Mạch đơn giản hơn so với mạch đếm sản phẩm dùng IC rời và có phần cài đặt số đếm ban đầu -Mạch có thể lưu lại số liệu của các ca sản xuất -Mạch có thể điều khiển đếm được nhiều dây chuyền sản xuất cùng lúc bằng phần mềm -Mạch cũng có thể kết nối giao tiếp được với máy tính thích hợp cho những người quản lí tại phòng kỹ thuật nắm bắt được tình hình sản xuất qua màn hình của máy vi tính. Nhưng trong thiết kế người ta thường chọn phương pháp tối ưu nhưng kinh tế do đó chúng em chọn phương pháp đếm sản phẩm dùng kỹ thuật vi điều khiển 1.2.3. Phương pháp đếm sản phẩm dùng vi điều khiển Ngoài những ưu điểm có được của hai phương pháp trên, phương pháp này còn có những ưu điểm : -Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với những chương trình có quy mô nhỏ, rất tiện lợi mà vi xử lí không thực hiện được. -Nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lí cũng giao tiếp được với máy tính nhưng là giao tiếp song song nên cần có linh kiện chuyển đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính. 1.3. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI Trong bài tập này em thực hiện mạch đếm số lượng xe ra vào bằng phương pháp đếm xung. Như vậy mỗi xe đi qua cửa phải có một thiết bị để cảm nhận xe ra vào, thiết bị này gọi là cảm biến. Khi một xe đi qua cảm biến sẽ nhận và tạo 3 ra một xung điện đưa về khối xử lí để tăng dần số đếm hoặc giảm dần số đếm. Tại một thời điểm tức thời, để xác định được số đếm cần phải có bộ phận hiển thị. Tuy nhiên mỗi bãi đỗ xe lại yêu cầu với số đếm khác nhau vì thế phải có sự linh hoạt trong việc chuyển đổi số đếm. Bộ phận chuyển đổi trực quan nhất là bàn phím. Khi cần thay đổi số đếm người sử dụng chỉ cần nhập số đếm ban đầu vào và mạch sẽ tự động đếm. Khi số xe được đếm bằng với số đếm ban đầu thì mạch sẽ tự động dừng. Từ đây suy ra mục đích yêu cầu của đề tài: -Số đếm phải chính xác, và thay đổi việc cài đặt số đếm ban đầu một cách linh hoạt. -Bộ phận hiển thị phải rõ ràng ( led 7 vạch) -Mạch điện không quá phức tạp, bảo đảm được sự an toàn, dễ sử dụng. -Giá thành không quá đắt CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ KẾT NỐI PHẦN CỨNG 2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG Sơ đồ cấu trúc tổng quát Hệ thống gồm 4 khối chính: - Khối cảm biến: Khối cảm biến có nhiệm vụ phát hiện đối tượng (xe ra vào) 4 KHỐI XỬ LÝ CẢM BIẾN BÀN PHÍM KHỐI HIỂN THỊ Chấp hành - Khối xử lý: Khối xử lý có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối cảm biến, nhận biết đối tượng và đưa ra các lệnh điều khiển tới khối chấp hành. - Khối hiển thị: Khối hiện thị có nhiệm vụ hiển thị trạng thái của hệ thống (led 7 vạch). 2.1.1. Khối cảm biến A. Hệ thống phát hồng ngoại Để có thể nhận biết được sản phẩm có rất nhiều phương pháp như siêu âm, laser hay hồng ngoại mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Với ưu điểm giá thành và dễ dàng thiết kế và thi công phương pháp cảm biến bằng hồng ngoại được chọn. Tuy nhiên phương pháp này cho ta độ ổn định và tin cậy không cao. Với hồng ngoại có rất nhiều cách có thể được sử dụng để cảm biến. Với các sản phẩm có độ bóng cao có thể ứng dụng đặc tính phản xạ của hồng ngoại để cảm biến, bằng phương pháp này chúng ta sẽ bố trí cặp thu phát ở cùng một phía, rất dễ cho lắp đặt, nhưng với các sản phẩm có độ phản xạ không cao thi ta sẽ bố trí cặp thu phát ở hai phía, phương pháp này cho chúng ta độ tin cậy cao hơn tuy nhiên khi lắp đặt thiết bị sẽ phức tạp hơn. H2.1: Mạch tạo dao động 5 Hoạt động của mạch điện này nh sau: Ngay khi cung cấp điện lần đầu cho mạch này, điện áp trên tụ C1 bằng 0V nên mạch ở trạng thái ban đầu nh sau: R = 0, S = 1 Q của FF ở mức logic cao Q bù của FF ở mức logic thấp (0V) dẫn đến T1 tắt mức điện áp ra ở chân 3 ở mức cao. Tụ C1 bắt đầu nạp điện qua điện trở R1, R2 cho đến khi điện áp trên C1 tăng đến trị số 2/3Vcc ( lúc điện áp trên tụ C1 tăng quá Vcc/3, mạch so sánh 2 đổi trạng thái R = S = 0 nên FF vẫn giữ nguyên trạng thái cũ chân 3 vẫn ở mức cao) ở thời điểm này mạch so sánh 1 đổi trạng thái nên R = 1, S = 0 FF đổi trạng thái tức là Q bù ở mức cao phân cực cho T1 dẫn bão hoà làm cho chân 3 chuyển trạng thái về mức thấp, tụ C1 phóng điện qua R1, chân 7 và T1cho đến khi điện áp trên tụ giảm xuống còn 1/3Vcc mạch so sánh 2 đổi trạng thái S = 1, R = 0 Q bù của FF chuyến lên mức điện áp cao T1 tắt tụ C1 lại bắt đầu nạp đến điện áp 2/3Vcc. Chu trình cứ lặp đi lặp lại tại chân 3 sẽ tạo dao động xung vuông. Vì R2 rất lớn hơn R1 nên thời gian nạp lớn hơn rất nhiều thời gian phóng nên một chu kỳ của bộ định thời t = R2.C1 = 0,01 s Vậy tần số phát là f = 1/t = 100Hz. B. H thng thu Phớa thu ta dựng mch in nh sau: H2.2: Mch in phớa thu Mch in phớa thu gm cú ba khi chớnh nh sau: 6 Khối 1: có nhiệm vụ tạo dao động theo tín hiệu của Diot thu hồng ngoại, lọc và khuếch đại sơ bộ tín hiệu thu được. Như vậy khối một sẽ gồm các linh kiện: Diot thu D2, bộ khuếch đại thuật toán (IC1), tụ C2, C3, điện trở R4, R5. Trong đó IC1, điện trở R4, tụ C2 đóng vai trò là bộ lọc tích cực thông thấp một cực dùng hồi tiếp âm. Khối 2: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu gồm IC 2 , tụ C4, R6, R7. Với hệ số khuếch đại tính theo công thức: Yêu cầu cần hệ số khuếch đại cỡ 150 lần ta chọn R7 = 330K, R6 = 1K, tụ C4 = 1µF suy ra Z ≅ 2K. Tín hiệu sau khi được khuếch đại qua tụ nối tầng C5 đưa vào khối 3. Khối 3: Có nhiệm vụ tách sóng tạo tín hiệu một chiều để đưa vào bộ so sánh tạo mức điện áp ra một chiều ở mức logic 0, 1 có thể tích hợp với bộ xử lý số. Để thực hiện tách sóng ta dùng một Diot D3 (1N4148) và tụ lọc C6(1µF). D4(1n4148), R8(1K), R9(1K) tạo thành một mạch phân áp có nhiệm vụ bù sụt áp tín hiệu xoay chiều được chỉnh lưu bởi D3. • Hoạt động phát hiện xe ra vào của khối Cảm biến Trong hệ thống sử dụng 2 bộ thu phát hồng ngoại (bộ 1 và bộ 2) để nhận biết sự xuất hiện và chiều di chuyển của xe (đi vào hay đi ra). Căn cứ vào thứ tự chắn các đèn hồng ngoại mà ta có thể kết luận rằng xe đó đi vào hay đi ra . Cụ thể như sau: 7 Z R 1K 6 u += H2.3: Sơ đồ bố trí cảm biến Như vậy đối tượng đi vào và đi ra theo 2 chu trình khác hẳn nhau, ta sử dụng sự khác biệt này để lập trình cho Vi diều khiển nhận ra chúng. 2.1.2. Khối hiển thị Khối hiển thị gồm 4 led 7 vạch, ngoài ra con có các led chỉ báo như ( chỉ báo có xe vào, chỉ báo mở thanh chắn, chỉ báo không còn chỗ để xe…). Ở đây chủ đạo là led 7 vạch được ghép nối với khối xử lý theo nhiều cách khác nhau. Để điều khiển được các đèn LED này sáng, bộ vi xử lý hoặc các mạch cổng của nó cần được tăng khả năng tải bằng các mạch khuếch đại đệm ( bằng transitor, bằng mạch SN7400hay SN7406) hoặc các mạch điều khiển đèn LED 7 nét chuyên dụng ( như SN7447) để đảm bảo đưa ra được tín hiệu với công suất nhất định cần thiết cho đèn LED. • Ghép nối có SN7447 - LED 7 nét ở chế độ tĩnh Một trong các phối ghép giữa vi xử lý và đèn LED 7 nét thường thấy là dùng mạch SN7447 để giải mã số BCD ra 7 nét . Đây là kiểu điều khiển đèn LED ở chế độ hiển thị tĩnh với đặc điểm là khá đơn giản về kết cấu nhưng lại rất Đầu thu 1 Đầu phát 2 Đầu phát 1 Đầu thu 2 Vµo Ra 8 tốn năng lượng: để thắp sáng các nét của đèn LED thì phải có dòng điện liên tục đi qua. H2.4: Phối ghép vi xử lý với LED 7 nét thông qua mạch SN7447. Ta có thể tính sơ bộ để có thể thấy sự tiêu tốn năng lượng của việc hiển thị theo cách này. Một đèn LED 7 nét tiêu tốn năng lượng nhiều nhất khi nó phải hiện ra số 8 và lúc này nó tiêu thụ doing điện khoảng 140 mA (khoảng 20mA/nét tuỳ theo chủng loại0. Bản than một mạch SN7447 khi hoạt đọng cũng tiêu thụ doing điện khoảng 14mA. Nếu tadùng đèn LED này để hiển thị 8 chử số (địa chỉ và dữ liệu) thì riêng mạch chỉ thị ta phải cung cấp khoảng 1.5mA. • CPU 7447 - LED 7 nét ở chế độ động - dồn kênh R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 Q1 2N2905 Q2 2N2905 Q3 2N2905 Q4 2N2905 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI/RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U2 7447 H2.5: Phối ghép led 7 vạch với SN7447 chế độ động 9 a B b B c C ’47 d D e LT f RBI BI g 8051 P2.0- P2.7 MAN7 a f b g e c d 150 Ω Để khắc phục nhược điểm của mạch phối ghép hiển thị tĩnh như đã được nêu ở trên, người ta thường sử dụng mạch phối ghép hiển thị động làm việc theo nguyên tắc dồn kênh: toàn bộ cá đèn hiển thị dùng chung một bộ điều khiển SN7447 và các đèn LED không được thắp sáng liên tục mà luân phiên nhau sáng theo một chu kỳ nhất định. Công suất tiêu thụ nhờ thế mà giảm đi rất nhiều mà vẫn đạt được hiệu quả hiển thị. Nguyên tắc hoạt động Giá trị số cần hiển thị của mỗi con số được gửi đến cổng P2 từ CPU dưới dạng mã BCD. Từ đây BCD được mạch SN7447 giải mã và tạo ra các tín hiệu điều khiển thích hợp đưa đến các chân catốt a.b, . g của LED. Mỗi giá trị cần hiển thị được đưa đến cổng P2cứ mỗi 2ms một lần cho một đèn. Giá trị số nói trên được hiện ra trên chử số thập phân nào lại là do các bit của byte dữ liệu từ CPU đưa đến cổng PA của mạch 8255A quyết định. Như vậy cứ mỗi 2ms thì ta phải đưa dữ liệu ra PB rồi PA và cho hiện ra một giá trị số trên một đèn. Nếu cả thảy có 8 LED 7 nét thì ta mất 16ms để cho hiện số ra cả dãy đèn. Quá trình trên lặp đi lặp lại làm cho ta có cảm giác là đèn sáng liên tục mặc dù trong thực tế chúng được điều khiển để sáng không liên tục. Một phương pháp phối ghép giống như trên nhưng không dùng mạch giải mã SN7447 cũng rất hay được sử dụng. Thay vì mạch SN7447 như trên, tại đây ta dùng một bộ khuếch đại đệm chỉ để nâng cao khả năng tải của cổng PB. Vì thế trong trường hợp này CPU phải đưa đến PB không phải là 4 bit mã BCD của giá trị số hiển thị mà là các mẫu 7 bit để làm sáng các nét tương ứng với giá trị số đó. Như vậy CPU phải để thì giờ để chuyển đổi từ giá trị số hệ 16 sang mẫu bit dành cho các nét của LED. 2.1.3. Khối chấp hành Đầu vào : Lấy từ 89C51. Đầu ra : Nối với động cơ. • Nhiệm vụ khối chấp hành: 10