3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3. 1 – Sơ đồ khối của hệ thống
Khối PIC16F887
Trung tâm xử lý tín hiệu. Nhận tín hiệu từ khối nút nhấn và khối cảm biến. Các tín hiệu này được xử lý và đưa ra khối hiển thị và khối điều khiển động cơ.
Tín hiệu nhận từ khối nút nhấn là mức điện áp tại các cột của nút nhấn khi khối PIC16F887 xuất điện áp mức cao hoặc mức thấp tại vị trí các hàng.
Tín hiệu nhận từ khối cảm biến là mức điện áp tại ngõ ra của các op–amp trong khối cảm biến. Khi buồng thang đến vị trí tầng, ngõ ra của cảm biến tại vị trí tầng đó có giá trị điện áp ở mức thấp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31 Sau khi xử lý tín hiệu nhận được, khối PIC16F887 đưa ra tín hiệu là mức điện áp cao hoặc thấp để điều khiển động cơ truyền động hoặc động cơ cửa. Đồng thời, khối cũng đưa ra tín hiệu (giá trị tầng, trạng thái đi lên hoặc đi xuống của thang, điều khiển chốt dữ liệu) vào IC chốt 74HC573.
Khối nút nhấn
Ngõ ra của khối nút nhấn được đưa vào portB của khối PIC16F887. Khi có sự thay đổi mức điện áp tại RB0, khối PIC16F887 sẽ bắt đầu quá trình quét phím để xác định vị trí nút được nhấn.
Ở trạng thái bình thường, khi chưa có nút nhấn, mức điện áp tại các hàng của khối nút nhấn là mức thấp và mức điện áp tại các cột là mức cao. Khi có nút nhấn, điện áp mức thấp của các hàng không thay đổi, điện áp mức cao tại cột có nút được nhấn sẽ chuyển thành điện áp mức thấp. Sự thay đổi mức điện áp tại cột này sẽ làm thay đổi ngõ ra tại IC logic AND. Ngõ ra này được nối vào chân RB0 của khối PIC16F887.
Khối cảm biến
Cảm biến sử dụng trong khối là cảm biến hồng ngoại. Khối này được chia làm 2 phần: – Cảm biến vị trí buồng thang gắn dọc theo thanh ray của buồng thang. Khi buồng thang đến vị trí của tầng, điện áp ngõ ra ứng với cảm biến đó sẽ là mức thấp. Ngược lại, khi không có buồng thang tại vị trí tầng, điện áp ngõ ra của cảm biến tương ứng sẽ là mức cao.
– Cảm biến vị trí cửa buồng thang và cảm biến vật cản vào được gắn tại buồng thang. Khi cửa đã đóng hết, điện áp ngõ ra ứng với cảm biến tại vị trí cửa đóng hết sẽ là mức thấp. Khi cửa đã mở hết, điện áp ngõ ra ứng với cảm biến tại vị trí cửa mở hết sẽ là mức thấp. Khi có người ra hoặc vật cản tại cửa của buồng thang, điện áp của cảm biến vật cản sẽ là mức cao.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32
Khối hiển thị, chuông báo.
Khối led hiển thị bao gồm IC chốt 74HC573, IC giải mã BCD 74LS247, led 7 đoạn loại anode chung và led đơn. Với led 7 đoạn ta hiển thị vị trí của buồng thang. Trạng thái đi lên hoặc đi xuống của buồng thang được hiển thị trên led đơn.
Giá trị vị trí buồng thang đưa ra từ khối PIC16F887 ở hệ nhị phân. Giá trị vị trí, trạng thái di chuyển của buồng thang và điều khiển chốt dữ liệu được lấy từ portA của khối PIC16F887. Khi chân LE của 74HC573 có điện áp ở mức cao, dữ liệu ngõ ra sẽ chính là dữ liệu ngõ vào của IC chốt. Khi chân LE có điện áp ở mức thấp, dữ liệu ngõ ra sẽ không thay đổi bất chấp có sự thay đổi dữ liệu tại ngõ vào. Giá trị vị trí của buồng thang lấy từ ngõ ra Q0 và Q1 của IC chốt được đưa vào ngõ vào của IC giải mã BCD 74LS247 và xuất ra led 7 đoạn. Trạng thái lên xuống lấy từ ngõ ra Q2 và Q3 của IC chốt và đưa ra led đơn.
Buzzer sẽ báo hiệu khi cabin đến tầng mong muốn.
Khối điều khiển động cơ
Động cơ cửa buồng thang và động cơ truyền động là động cơ điện một chiều. Từng động cơ được điều khiển thông qua relay được kích bởi transistor, thông qua đó ta điều khiển được động cơ quay thuận hoặc quay nghịch tùy theo mục đích hoạt động của thang máy.
Tín hiệu điều khiển động cơ được lấy từ chân RC0, RC1, RC2, RC3 của khối PIC16F887. Chân RC0 và RC1 điều khiển quay thuận và quay nghịch động cơ truyền động di chuyển lên xuống của buồng thang. Chân RC2,RC3 điều khiển việc quay thuận và quay nghịch của động cơ cửa buồng thang. Sự quay thuận hoặc quay nghịch của động cơ ứng với việc đóng hoặc mở cửa buồng thang.
Khối nguồn
Gồm nguồn chính và nguồn dự phòng, khối có nhiệm vụ cấp nguồn 12VDC, 5VDC cho các khối khác hoạt động, nguồn dự phòng đại diện cho máy phát hoặc một đường dây độc lập so với nguồn chính được sử dụng khi mất điện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33
3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch
3.2.2.1. Khối PIC16F887
Hình 3. 2 – Khối PIC16F887 a. Nhiệm vụ của các Port
Port A: có 6 chân từ A0 đến A6. A0 và A1 xuất ra giá trị của vị trí buồng thang. A2 và A3 xuất ra trạng thái đi lên hoặc đi xuống của buồng thang. A4 không sử dụng. A5 được sử dụng để đưa vào chân LE của 74HC573 (IC chốt). A6, A7 kết nối thạch anh tạo dao động, vì sử dụng thạch anh 20 MHz (dao động tần số cao HS) nên sử dụng 2 tụ có giá trị từ 15 pF đến 33 pF ( ta chọn 22 pF ), việc gắn thêm tụ giúp cho dao động được ổn định và mạch hoạt động tốt khi nhiệt độ thay đổi.
Port B: có 8 chân từ B0 đến B7, được nối vào khối nút nhấn. B0 được sử dụng cho việc nhận ngắt ngoài. Ngắt ngoài xảy ra khi có sự thay đổi điện áp từ mức cao xuống mức thấp. B1, B2, B3 xuất ra tín hiệu mức cao hoặc mức thấp. B4. B5, B6, B7 nhận tín hiệu vào từ khối nút nhấn. Tín hiệu xuất ra kết hợp với tín hiệu nhận vào giúp cho việc xác định nút tại vị trí nào được nhấn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34 Port C: có 8 chân từ C0 đến C7. C0 và C1 điều khiển động cơ truyền động. C2 và C3 điều khiển cửa buồng thang. C4 xuất tín hiệu điều khiển Buzzer. C5, C6, C7 nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại trong buồng thang; với mục đích xác định vị trí cửa buồng thang và vật cản đặt ở cửa buồng thang.
Port D: có 8 chân từ D0 đến D7. D0, D1, D2, D3 được sử dụng để nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại vị trí buồng thang, tương ứng với với vị trị buồng thang tại tầng dưới cùng (tầng 0) đến tầng trên cùng (tầng 3). Từ D4 đến D7 không sử dụng.
Port E: có 3 chân E0, E1, E2, E3, chân E3 kết nối nút nhấn Reset. Chân E0 được kết nối với switch tác động tích cực mức 0, có chức năng khóa thang khi cần thiết như : bảo trì, sửa chữa thang máy khi gặp sự cố, vận chuyển hàng hóa…Switch khóa thang này được đặt trong buồng thang máy và có ổ khóa để khóa lại. Khi gạt switch, chức năng khóa thang được kích hoạt, thang máy sẽ dừng ở vị trí tầng được khóa thang, khi có các lệnh gọi thang từ tầng trên hoặc dưới, vị trí tầng vẫn được nhớ và buồng thang sẽ tiếp tục di chuyển lên - xuống khi gạt switch trở lại trạng thái ban đầu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 b. Ngắt ngoài INT_EXT
PIC16F887 có đến 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi INTCON (bit GIE). Bên cạnh đó mỗi ngắt còn có một bit điều khiển và cờ ngắt riêng. Các cờ ngắt vẫn được set bình thường khi thỏa mãn điều kiện ngắt xảy ra bất chấp trạng thái của bit GIE, tuy nhiên hoạt động ngắt vẫn phụ thuôc vào bit GIE và các bit điều khiển khác. Bit điều khiển ngắt RB0/INT và TMR0 nằm trong thanh ghi INTCON, thanh ghi này còn chứa bit cho phép các ngắt ngoại vi PEIE. Bit điều khiển các ngắt nằm trong thanh ghi PIE1 và PIE2. Cờ ngắt của các ngắt nằm trong thanh ghi PIR1 và PIR2.Việc xác định ngắt ngoài cần 3 hoặc 4 chu kì lệnh, tùy thuộc vào thời điểm ngắt xảy ra.
Ngắt này dựa trên sự thay đổi trạng thái của pin RB0/INT. Cạnh tác động gây ra ngắt có thể là cạnh lên hay cạnh xuống và được điều khiển bởi bit INT_EDG. Khi có cạnh tác động thích hợp xuất hiện tại pin RB0/INT, cờ ngắt INTF được set bất chấp trạng thái các bit điều khiển GIE và PEIE.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 3.2.2.2. Khổi nút nhấn
Hình 3. 4 – Khối nút nhấn
Ở trạng thái bình thường – không có bất kì phím nào nhấn, điện áp tại chân B1, B2 và B3 (tương ứng với các hàng ngang trên nút nhấn) luôn ở mức thấp (0VDC). Điện áp tại chân B4, B5, B6 và B7 (tương ứng với các cột trên nút nhấn) luôn ở mức cao.
Khi có bất kì phím nào được nhấn, điện áp tại cột của phím nhấn sẽ xuống mức thấp. Tín hiệu điện áp này đưa qua 74LS08 (IC logic AND loại 2 ngõ vào) ta thu được tại chân thứ 8 của 74LS08 là điện áp mức thấp. Chân thứ 8 này nối tiếp với chân B0 của PIC. Từ đó bắt đầu chương trình ngắt ngoài, tuần tự cho giá trị điện áp tại B1 xuống mức thấp, B2 và B3 lên mức cao. Sau đó bắt đầu quá trình xét tín hiệu điện áp tại B4, B5, B6, B7. Nếu điện áp thu được là điện áp mức thấp ta sẽ xác định được vị trí nút được nhấn. Nếu không xác định được điện áp mức thấp sẽ tuần tự làm lại công việc trên với B2 và B3.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37 3.2.2.3 Khổi cảm biến.
Hình 3. 5 – Khối cảm biến
Module cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại luôn thích nghi với môi trường xung quanh, nó có một cặp mắt phát hiện tia hồng ngoại với một tần số nhất định, khi phát hiện ra tia hồng ngoại của một vật cản bề mặt phản xạ sẽ nhận tín hiệu và xử lý đèn báo sẽ sáng đồng thời đầu cho tín hiệu ra ở mức thấp.
Để biết được vị trí của buồng thang, ta gắn những cảm biến hồng ngoại trên thanh ray ứng với từng vị trí dừng của buồng thang. Khi buồng thang dừng, ngõ ra của cảm biến hồng ngoại tương ứng sẽ đưa ra tín hiệu điện áp mức thấp.
Để biết vị trí của cửa buồng thang và người hoặc vật cản đứng tại cửa buồng thang, ta gắn từng module cảm biến hồng ngoại ứng với vị trí cửa đã mở hết, đóng hết và vị trí giữa của cửa buồng để phát hiện người. Khi có người tại cửa, ngõ ra cảm biến hồng ngoại xác đinh người sẽ đưa ra tín hiệu mức cao và ngược lại. Khi cửa đã đóng hết hoặc mở hết, ngõ ra cảm biến hồng ngoại tại vị trí cửa đóng hết hoặc vị trí cửa mở hết sẽ có mức điện áp thấp và ngược lại.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 3.2.2.4. Khối hiển thị, chuông báo.
Hình 3. 6 – Khối hiển thị, chuông báo.
Khối led hiển thị bao gồm: led đơn hiển thị trạng thái buồng thang, led 7 đoạn loại anode chung, IC giải mã 74LS247, IC chốt 74HC573.
Tín hiệu điện áp từ Port A của PIC16F887 được đưa vào ngõ vào của IC chốt như sau: A0 (của PIC) ứng với D0 (của IC chốt), A1 ứng với D1, A2 ứng với D2, A3 ứng với D3, A5 ứng với LE của IC chốt. Với A0 và A1 là vị trí của buồng thang; A2 và A3 là trạng thái đi lên đi xuống của buồng thang.
IC chốt 74HC573 có 20 chân: 8 chân ngõ vào D0 đến D7, 8 chân ngõ ra Q0 đến Q7, 1 chân LE, 1 chân OE (output enable) tích cực mức thấp, 1 chân VCC và 1 chân GND.
Tín hiệu ngõ ra Q0, Q1 đưa vào 74LS247 giải mã từ hê nhị phân sang mã BCD và hiển thị qua led 7 đoạn. Tín hiệu ngõ ra Q2, Q3 nối tiếp với Transisitor điều khiển led đơn hiển thị trạng thái đi lên hoặc đi xuống của buồng thang.
Chuông báo được kết nối chân C4, chuông báo sẽ báo hiệu khi cabin đến tầng mong muốn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 Thông số Giá trị hFE 100 VCE(SAT) 0.1V VBE 1V IC(MAX) 150mA IB(MAX) 50mA PMAX 400mW VLED 2V ILED(MAX) 15mA VBUZZER 5V IBUZZER 20mA IO(74HC573) 20mA IO(16F887) 20mA I7SEG 25mA
Bảng 3. 1 – Thông số của các linh kiện trong khối
1. Tính chọn các linh kiện điều khiển led lên, xuống: 3 led lên mắc song song, 3 led xuống mắc song song.
Tính cho 3 led lên: Áp dụng Kirchhoff 2 VBB=IBRB+VBE (3.1) VCC=ICRC+VLED+VCE (3.2) Tính chọn RB VCE= VCE(SAT) IB= IO(74HC573) RB(MIN)= (VBB- VBE)/IB=(5-1)/0,02=200Ω (chọn 220Ω) (3.3) RC(MIN)= (VCC- VCE- VLED)/(3ILED)=(12-0,1-2)/(3.0,015)=220Ω (3.4) (chọn 330Ω)
Ta thấy các thông số trên phù hợp với transistor C1815 Tính cho 3 led xuống (tương tự)
2. Tính chọn các linh kiện điều khiển Buzzer. Áp dụng Kirchhoff 2
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 VBB=IBRB+VBE (3.5) Tính chọn RB VCE= VCE(SAT) IB= IO(16F887) RB(MIN)= (VBB- VBE)/IB=(5-1)/0,02=200Ω (chọn 220Ω) (3.6) Ta thấy các thông số trên phù hợp với transistor C1815
3. Tính chọn điện trở điều khiển 5 led 7 đoạn anode chung mắc song song. Vì mỗi đoạn của led như một led đơn nên ta tính điện trở của mỗi đoạn như sau: R= (VCC- VLED- VO(16F887))/(5.I7SEG)=(5-2,2-0)/(5 0,025
7 )=157Ω (3.7) (chọn 220Ω)
Vậy ta chọn 7 điện trở 220Ω
3.2.2.5. Khổi điều khiển động cơ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 Phương pháp điều khiển:
Một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một nguồn điện DC. Ai cũng biết rằng nếu nối A với cực (+), B với cực (–) mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực đấu dây (A với (–), B với (+)) thì động cơ sẽ đảo chiều quay.
Để điều khiển được như thế, cần phải sử dụng thêm Opto, transistor kết hợp với relay đảo chiều quay của động cơ. Mỗi động cơ ta sử dụng 2 transistor với 2 relay và 2 opto cách li, tín hiệu xuất ra từ PIC16F887 sẽ kích cho 2 opto với 2 mức logic khác nhau, nó sẽ điều khiển 2 transistor để kích 2 relay để đảo chiều quay động cơ, nếu không có tín hiệu kích thì động cơ không quay. Không cùng lúc kích 2 transistor vì với trường hợp này, cả 2 đầu A, B của động cơ cùng nối với một mức điện áp và sẽ không có dòng điện nào chạy qua, mạch không hoạt động.
Có 2 thông số quan trọng cho 1 relay là điện áp kích solenoid và dòng lớn nhất mà các tiếp điểm chịu được. Điện áp kích solenoid là 12V, việc kích solenoid chính là công việc của chip điều khiển PIC16F887. Vì tiếp xúc giữa cực Com và các tiếp điểm là dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên rất dễ bị hở mạch. Nếu dòng điện qua tiếp điểm quá lớn, nhiệt có thể sinh ra lớn và làm hở tiếp xúc. Vì thế chúng ta cần tính toán dòng điện tối đa trong ứng dụng của mình để chọn relay phù hợp.
Ta thấy dòng qua động cơ tối đa khi có tải là 170 mA << dòng mà tiếp diểm relay có thể chịu được là 10A nên đảm bảo rất an toàn khi vận hành.
Ở sơ đồ mạch trên ta sử dụng transistor NPN để kích dòng cho relay đóng tiếp điểm thường mở, nguyên lý hoạt động như sau:
– Khi tín hiệu “đóng” và “mở” đưa vào 2 opto là mức 1 (Tức =5V) thì Q3, Q4 không dẫn do không có dòng Ibe nên relay không làm việc. Khi tín hiệu “đóng” đưa vào là mức 0 (Tức =0V) và tín hiệu “mở” đưa vào là mức 1 (Tức =5V) thì dòng sẽ qua R hạn dòng, làm cho Q3 dẫn thông lúc này ta có dòng Ice là dòng điện chạy qua cuộn dây => Q => GND, relay bên Q3 đóng tiếp điểm thường mở sinh ra dòng điện từ nguồn động cơ qua động cơ rồi về GND làm cho động cơ quay thuận (cửa đóng). Ngược lại khi tín hiệu “đóng” đưa vào là mức 1 (Tức =5V) và tín hiệu “mở” đưa vào là mức 0 (Tức =0V) thì cửa mở.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 – Khi tín hiệu “lên” và “xuống” đưa vào 2 opto là mức 1 (tức =5V) thì Q1, Q2 không dẫn do không có dòng Ibe nên relay không làm việc. Khi tín hiệu “lên” đưa vào là mức 0 (Tức =0V) và tín hiệu “xuống” đưa vào là mức 1 (Tức =5V) thì sẽ qua R hạn dòng, làm cho Q1 dẫn thông lúc này ta có dòng Ice là dòng điện chạy qua cuộn