2.2.1 Vi Điều Khiển 16F887
Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu từ 4 bit cho đến 32 bit, vi xử lý 4 bit hiện nay không còn nhưng vi xử lý 8 bit vẫn còn mặc dù đã có vi xử lý 64 bit. Lý do sự tồn tại của vi xử lý 8 bit là phù hợp với một số yêu cầu điều khiển trong công nghiệp. Các vi xử lý 32 bit, 64 bit thường sử dụng cho các máy tính vì khối lượng dữ liệu của máy tính rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt. Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp sử dụng các vi xử lý 8 bit hay 16 bit như hệ thống điện của xe hơi, hệ thống điều hòa, hệ thống điều khiển các dây chuyền sản xuất,…PIC16F887 là loại 8 bit được đưa vào giảng dạy và nó cũng có đủ tính năng để thực hiện đề tài nên nhóm em chọn sử dụng PIC16F887.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20 Kích thước lõi 8 Bit
Tốc độ 20MHz
Số lượng I/O 35
Bộ nhớ chương trình 14KB (8K x 14) Chuyển đổi dữ liệu A/D 14x10b Loại bộ nhớ chương trình FLASH
Bộ nhớ EEPROM 256 x 8 Bộ nhớ RAM 368 x 8 Dòng tối đa mỗi I/O 25 mA
Nguồn cung cấp 2 V ~ 5.5 V
Hỗ trợ kết nối I²C, SPI, UART/USART Phạm vi nhiệt độ hoạt động –40°C ~ 85°C
Đóng gói 40–DIP (0.600", 15.24mm)
Bảng 2. 1 – Thông số PIC16F887
2.2.2 Động cơ DC giảm tốc JGB37–520 12V
Động cơ này được sử dụng trong các máy móc, thiết bị công nghiệp, dân dụng, sử dụng để chế tạo các sản phẩm DIY theo từng ý tưởng mỗi cá nhân. Nhận thấy trong đề tài, để cho cabin chuyển động không quá nhanh và dừng đúng lúc khi cần không bị trượt thì nếu như sử dụng những loại động cơ DC thông thường thì sẽ không đáp ứng được. Vì vậy nhóm em chọn động cơ có tích hợp bộ giảm tốc, do chỉ làm mô hình nên sử dụng động cơ 12V. Để động cơ hoạt động thì ta cấp nguồn vào 2 đầu dây của động cơ thì nó sẽ quay thuận hay nghịch tùy thuộc vào chiều cấp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21 Hình 2. 5 – Động cơ DC giảm tốc
Điện áp định mức DC 12V Tốc độ không tải 319 vòng / phút
Dòng không tải 100mA Mô men tải 0.28kg.cm
Dòng tải 170mA
Công suất 0.8w
Mô men xoắn 1.1kg.cm
Tỷ lệ 18,8
Trọng lượng 150g
Bảng 2. 2 – Thông số động cơ DC giảm tốc
2.2.3. Module cảm biến hồng ngoại.
Cảm biến có khả năng thích nghi với môi trường, có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh, đèn tín hiệu sẽ sáng lên, đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu mức thấp). Độ nhạy sáng của cảm biến được điều chỉnh bằng chiết áp, cảm biến dễ lắp ráp, dễ sử dụng. Có thể được sử dụng rộng rãi trong robot tránh chướng ngại vật, xe tránh chướng ngại vật và dò đường....Nhận thấy cảm biến này có khả năng phát hiện tầng và trạng thái của cửa cabin khi thang máy hoạt động, cảm biến cũng khá nhạy và chính xác nên nhóm chọn mudule này trong đề tài.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22 Hình 2. 6 – Module cảm biến hồng ngoại
Kích thước 3.2cm x 1.4cm Khoảng cách làm việc 2 ~ 5cm IC so sánh LM393 Điện áp hoạt động 3.3V – 5V DC Dòng điện tiêu thụ 43 mA Góc hoạt động 35° Chân nguồn VCC, GND Chân tín hiệu OUT(0 hoặc 1)
Bảng 2. 3 – Thông số Module cảm biến hồng ngoại
2.2.4. Led 7 đoạn Anode chung
Trong các thiết bị, để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó cho người sử dụng với thông số chỉ là các dãy số đơn thuần, thường người ta sử dụng "led 7 đoạn". Led 7 đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp, chỉ cần hiện thị số là đủ, chẳng hạn led 7 đoạn được sử dụng để hiển thị nhiệt độ phòng, trong các đồng hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm được kiểm tra sau một công đoạn nào đó...Trong đề tài này ta sử dụng led 7 đoạn để hiển thị số tầng.
Led 7 đoạn được sử dụng thuộc loại Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại sử dụng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0. Khi kết nối vi điều khiển thì cần điện trở hạn dòng để đảm bảo an toàn cho Led.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 Hình 2. 7 – Led 7 đoạn Anode chung
Kích thước 19mm x 12.6mm x 8mm (0.56 inch) Số chân 10 ( 8 chân tín hiệu, 2 chân nguồn chung VCC).
Loại Anode chung
Điện áp hoạt động 2.2V Dòng điện tiêu thụ 25 mA
Bảng 2. 4 – Thông số Led 7 đoạn Anode chung
2.2.5. Relay 5 chân 12V
Relay 5 chân SRD-12VDC là loại linh kiện đóng ngắt điện cơ đơn giản được điều khiển đóng mở bằng dòng điện. Nó gồm 2 phần chính là cuộn hút và các tiếp điểm. Nhìn chung, công dụng của relay là " sử dụng một năng lượng nhỏ để đóng cắt nguồn năng lượng lớn hơn". Relay được sử dụng khá thông dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ và chiếu sáng. Một đặc điểm rất quan trọng trong cách hoạt động “đóng – mở” của relay là tính “cách li”. Hai đường kích nam châm điện cuộn dây hoàn toàn cách li với các tiếp điểm của relay, và vì thế sẽ rất an toàn. Ở đây ta sử dụng relay để điều khiển động cơ quay thuận nghịch thông qua Transistor với dòng điều khiển IB nhỏ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 Kích thước 19 x 15 x 15 mm
Số chân 5 (2 chân cấp nguồn nuôi 12V, 1 chân Com chung, 1 chân NO, 1 chân NC).
Thời gian tác động 10 ms Thời gian nhả hãm 5 ms Điện áp hoạt động 12V Điện áp chuyển mạch tối đa 110VDC / 250VAC
Công suất cuộn dây 0.45W Dòng điện chuyển
mạch cực đại
10A
Nhiệt độ hoạt động -45°C ~ 75°C Bảng 2. 5 – Thông số relay 5 chân 12V
2.2.6. IC giải mã 74LS247
74LS247 là dòng IC số thông dụng trên thị trường, được biết đến như là IC điều khiển LED 7 đoạn bằng mã BCD, IC có thể điều khiển LED 7 đoạn để hiển thị số từ 0-9. IC này ứng dụng trong đề tài để giải mã tín hiệu đưa ra từ PIC16F887 thành các mã 7 đoạn tương ứng với số tầng 0, 1, 2, 3 được hiển thị ở led 7 đoạn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25 Bảng 2. 6 – Bảng trạng thái 74LS247
Nguồn nuôi 5VDC
Dải nhiệt độ hoạt động -55 °C đến 125 °C Dòng ra mức cao cực đại IOH max = -50uA Dòng ra mức thấp cực đại IOL max = 3.2mA Điện áp đầu vào ứng với mức cao VIH > 2V Điện áp đầu vào ứng với mức thấp VIL < 0.8V
Điện áp đầu ra ứng với mức cao VOH > 2.4V Điện áp đầu ra ứng với mức thấp VOL < 0.5V
Bảng 2. 7 – Thông số IC 74LS247
2.2.7. IC cổng AND hai ngõ vào 74LS08
IC 74LS08 là IC thuộc họ TTL do hãng Fairchild sản xuất. Cấu tạo bên trong IC 74LS08 có bốn cổng logic AND, mỗi cổng có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra. Điện áp đầu vào cung cấp cho IC 74LS08 thấp chỉ trong khoảng từ 4.75V ~ 5.25V, IC hoạt động tốt nhất ở điện áp 5V. Ta sử dụng IC này để phát hiện có ngắt ngoài xảy ra khi có nút được nhấn để xử lý chương trình.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26 Hình 2. 10 – IC 74LS08
Bảng 2. 8 – Bảng trạng thái 74LS08
Điện áp cung cấp 4.75V ~ 5.25V Dải nhiệt độ hoạt động 0 ~70oC
Dòng điện ra mức cao IOH = -0.4mA Dòng điện ra mức thấp IOL = 8mA
Bảng 2. 9 – Thông số IC 74LS08
2.2.8. Transistor C1815
C1815 là transistor ngược NPN. Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn loại P nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được. Để cho transistor hoạt động, ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E. Cấp nguồn một
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27 chiều UBE đi qua trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E. Cấp nguồn dương vào chân B kích mở transistor dẫn dòng. Ta sử dụng C1815 để kích relay điều khiển động cơ quay thuận nghịch.
Hình 2. 11 – Transistor C1815
Dải nhiệt độ cho phép -55 ~ +150 oC Tổng công suất (Ta=25oC) 400mW VCBO điện áp cực C sang B 60 V VCEO điện áp cực C sang E 50 V VEBO điện áp cực E sang B 5 V
IC dòng cực góp 150 mA IB dòng cực gốc 50 mA
Bảng 2. 10 – Thông số C1815
2.2.9. Opto PC817A
Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diode hay 1 photo transistor. Được sử dụng để các ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn. Khi có dòng nhỏ đi qua 2 đầu của led có trong opto làm cho led phát sáng. Khi led phát sáng làm thông 2 cực của photo diode, mở cho dòng điện chạy qua. Ta sử dụng opto để cách ly giữa PIC và phần điều khiền động cơ nhằm đảm bảo PIC hoạt động ổn định, không bị nhiễu hay bị hư hỏng nếu như tải gặp sự cố quá tải, cháy, tăng áp đột ngột.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28 Hình 2. 12 – Opto PC817A
Dòng thuận IF 50mA Điện áp ngược VR trên led 6V Điện áp VCEO 35V Điện áp ngược VECO 6V
Dòng IC 50mA
Điện áp VF trên led( IF =20mA) 1.2V đến 1.4V
Tỉ lệ chuyển dòng điện CTR MIN 50% ở IF=5mA, VCE=5V Điện áp cách ly VISO 5000V
Bảng 2. 11 – Thông số opto PC817A
2.2.10. IC chốt 74HC573
IC 74HC573 là 1 vi mạch chốt dữ liệu. Đầu vào của 74HC573 tương thích với đầu ra chuẩn CMOS, trở kéo, bên cạnh đó IC tương thích với đầu ra LS/ALSTTL. Nguyên lý hoạt động của IC 74HC573: Cho dữ liệu vào 8 chân đầu vào từ D0 -> D7 khi chân chốt LE chưa hoạt động hay ở mức thấp thì trạng thái đầu ra chưa thay đổi. Khi chân LE lên mức cao thì dữ liệu đầu ra Q0 -> Q7 sẽ ứng dữ liệu đầu vào tại thời điểm chốt (tạo ra 1 xung). Sau thời điểm chốt dữ liệu đầu ra sẽ không thay đổi khi dữ liệu đầu vào có thay đổi như thế nào đi nữa. Tức là chỉ khi chân chốt LE hoạt động thì dữ liệu đầu ra sẽ thay đổi theo dữ liệu đầu vào tại thời điểm ấy. Còn khi LE không hoạt động thì dữ liệu đầu ra sẽ mãi ở trạng thái đó dù đầu vào thay đổi. Ta sử dụng IC 74HC573 để chốt trạng thái ứng với vị trí tầng và lên xuống của buồng thang máy nhằm tránh trường hợp các trạng thái hiển thị lung tung không kiểm soát được.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29 Hình 2. 13 – IC chốt 74HC573
Bảng 2. 12 – Bảng trạng thái 74HC573
Dòng vào mỗi pin 20 mA Dòng ra mỗi pin 35 mA Nhiệt độ hoạt động – 40 C đến + 85 C
Số Kênh 8 Kênh
Điện áp cung cấp 2 V đến 6 V Bảng 2. 13 – Thông số 74HC573
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1. GIỚI THIỆU
Trong quá trình thực hiện đề tài thì nhóm thực hiện thiết kế những phần sau:
Thiết kế, phân chia các I/O của PIC16F887 cho các ngoại vi.
Thiết kế khối nút nhấn điều khiển thang máy.
Thiết kế khối cảm biến.
Thiết kế khối hiển thị led 7 đoạn, led đơn.
Thiết kế khối điều khiển động cơ.
Thiết kế khối nguồn.
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 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