BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 24 Nếu ta dùng mạch module ngồi thị trường, ta có thể thay đổi giá trị điện áp ngõ ra từ khoảng 1.5 đến 30V. Điện áp ngõ vào có thể thay đổi từ 3v đến 40v. Dòng điện ngõ ra tương đối lớn, vào khoảng 3A. Để mạch hoạt động tốt, ta cần cấp nguồn có độ ổn định cao. Đặc biệt là đối với module Sim900, dòng điện từ nguồn cung cấp phải tầm 3A thì module mới đảm bảo hoạt động tốt [7]. Một số đặc điểm của LM2596 được dùng trong đồ án này như:
- Dòng điện ngõ ra cao khoảng 3A. - Điện áp ngõ vào có thể lên đến 40 V.
- LM2596 hoạt động ở tần số khoảng 150 KHz.
b. Giới thiệu về PIC 16F887
PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology được tích hợp nhiều chức năng như ADC, PWM, và các chức năng khác. Hình 3.3 là sơ đồ chân vi xử lý PIC 16F887 được dùng trong đồ án.
Đặc điểm của vi xử lý PIC:
- Người dùng có thể lập trình với 35 lệnh đơn giản (có 35 lệnh đơn).
- Bộ nhớ EFPROM 256x8 byte cho phép xóa và lập trình 1.000.000 lần và có thê tồn tại 40 năm.
- Số port I/O là 35 port (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0, 1). - Dải điện áp hoạt động từ 2v đến 5.5v. Dòng điện sử dụng 25mA. Cho phép
đọc / ghi bộ nhớ khi mạch hoạt động.
- Vi điều khiển PIC 16F887 có 40 chân trong đó có 35 I/O để kết nối với ngoại vi. Bộ nhớ của PIC 16F887 có 3 bộ nhớ Flash 8192 words, SRAM 368 bytes, EEPROM 256 bytes [8].
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 25
Hình 3.3. Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F887 [10].
Vi điều khiển PIC 16F887 có 5 cổng xuất nhập, bao gồm PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE. Chức năng của từng chân xuất nhập trong mỗi cổng hồn tồn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanh ghi SFR liên quan đến chân xuất nhập đó.
- Port A
Có 8 pin I/O, đây là các chân hai chiều, nghĩa là có thể xuất và nhập được. Chức năng I/O này được điều khiển bởi thanh ghi TRISA. Muốn xác lập chức năng của một chân trong Port A là input, ta set bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA và ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong Port A là output, ta xóa (clear) bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA. Bảng 3.1 thanh ghi Port A của vi xử lý PIC
Bảng 3.1. Thanh ghi Port A
R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x RA7 RA6 RA5 RA4 RA3 RA2 RA1 RA0
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 26 - Port B
Có 8 pin I/O, đây là các chân hai chiều, nghĩa là có thể xuất và nhập được. Chức năng I/O này được điều khiển bởi thanh ghi TRISB. Muốn xác lập chức năng của một chân trong Port B là input, ta set bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISB và ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong Port A là output, ta clear bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISB. Port được trình bày như bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thanh ghi Port B
R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0
Bit 7 bit 0
- Port C
Port C gồm 8 pin I/O (RC0 – RC7). Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC, cách xác lập vào ra tương tự như Port A. Bên cạnh đó Port C còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ timer1, bộ PWM và các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART (bảng 3.3)
Bảng 3.3. Thanh ghi Port C
R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x RC7 RC6 RC5 RC4 RC3 RC2 RC1 RC0
Bit 7 bit 0
- Port D
Port D gồm 8 pin I/O (RD0 – RD7), 2 chiều, tương ứng với hướng dữ liệu đăng ký là TRISD. Thiết lập TRISD (=1) tương ứng Port D là đầu vào và (=0) là đầu ra.
Bảng 3.4. Thanh ghi Port D
R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x R/W-x RD7 RD6 RD5 RD4 RD3 RD2 RD1 RD0
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 27
3.2.3 Sơ đồ ngun lý của tồn mạch
Hình 3.4. Sơ đồ ngun lý của tồn mạch a. Mơ tả quá trình hoạt động của mạch:
Mạch sau khi được cấp nguồn sẽ bắt đầu khởi động module Sim900 ở chế độ sẵn sàng. Sau khi sim đã hoạt động, vi xử lý sẽ điều khiển gửi một tin nhắn cho người dùng báo module Sim900 đã vào trạng thái sẵn sàng và chờ tín hiệu điều khiển. Lúc đó, mạch sẽ chờ tín hiệu điều khiển từ Raspberry để kích mạch gửi tin nhắn và gọi nếu hệ thống nhận dạng được dáng người hoặc nhận dạng ra khuôn mặt người. LCD sẽ hiển thị trạng thái sẵn sàng của module Sim900 và trạng thái chờ lệnh điều khiển. Đến khi nào có tín hiệu điều khiển, vi xử lý sẽ điều khiển module Sim900 gửi tin nhắn và kích hoạt khối điều khiển đèn, cịi báo động. Lúc đó người dùng sẽ nhận được cuộc gọi, tin nhắn cảnh báo và có thể thơng qua tin nhắn để tắt thiết bị. Cú pháp được quy định để bảo mật, tránh trường hợp bị người lạ có thể điều khiển thiết bị. Hình 3.4 là tồn bộ sơ đồ mạch của khối báo động gửi tin nhắn cảnh báo của hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 28
b. Chức năng từng khối của toàn mạch
- Sơ đồ nguyên lý bao gồm khối nguồn có điện áp vào là 12V – 3A, qua mạch nguồn điện áp con 5v để cung cấp nguồn cho vi xử lý và module Sim900 với dòng điện khoảng 3A để tránh trường hợp khơng đủ dịng cấp cho module Sim900 lúc hoạt động.
- Khối vi xử lý để nhận tín hiệu điều khiển từ Raspberry và sẽ điều khiển module Sim900 gửi tin và gọi điện đến người dùng. Sau đó là đóng mở thiết bị như đèn, cịi cảnh báo và đồng thời nhận tin nhắn từ người dùng để bật tắt thiết bị cảnh báo.
- Khối hiển thị LCD 16x2: dùng để hiển thị trạng thái hoạt động của module Sim900 và trạng thái hoạt động của các thiết bị.
- Khối điều khiển thiết bị: Pic sẽ gửi tín hiệu điều khiển để bật, tắt relay. Qua đó điều khiển các thiết bị như đèn, cịi báo động.
c. Tính tốn các giá trị trong mạch
- Mạch reset vi xử lý
Hình 3.5. Sơ đồ mạch reset
Hình 3.5 là sơ đồ mạch reset vi xử lý được dùng trong khối báo động. Mạch bao gồm một nút nhấn khi cần khởi động lại mạch, người dùng sẽ nhấn nút này. Chân số 1 của vi xử lý sẽ được kết nối vào ngõ ra của mạch. Ngõ ra là mức logic 1 có điện áp 5v, sau đó là qua điện trở hạn dịng để vi xử lý khơng bị hỏng khi dịng lớn. Tụ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 29 C4 dùng để tự động reset khi bật nguồn và kéo dài thời gian reset khi nhấn nút BT1. Cụ thể ta chọn R23 = 10k để tính dịng I như sau [9]:
I = 𝑈 𝑅 = 5𝑉
10 𝐾Ω = 0.5 (mA) (3.1)
- Mạch relay điều khiển thiết bị:
Hình 3.6. Sơ đồ mạch Relay điều khiển thiết bị
Khi có tín hiệu điều khiển làm Q2 hoạt động, Led D1 sẽ sáng báo hiệu cho người dùng là relay đã được bật. Led được điện trở R5 bảo vệ tránh quá dịng. Cụ thể được tính tốn như sau:
ILed = 𝑈 𝑅 = 12 𝑉
1 𝐾Ω = 12 (mA) (3.2)
Với dịng điện 12 (mA) có thể đảm bảo Led sáng bình thường. Điện áp ngõ ra từ 2v – 5v tương đương mức logic 0 và 1. Dòng điện của Pic vào khoảng 20 mA. Khi ta cho ngõ ra D0 và D1 lên mức logic 1, điện áp tương ứng của 2 mức logic này là 5v. Transistor C1815 có tác dụng kích relay đóng khi có tín hiệu điều khiển từ vi xử lý. Đối với Transistor C1815, dựa vào datasheet ta có thể xác định như sau:
Hfe = β = 100 và IC = 150 (mA) Dựa vào công thức ta suy ra được:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 30
IB = IC
𝛽 = 150/100 = 1.5 (mA) (3.3)
Như vậy, dịng để kích nó hoạt động là 1.5mA. Ta cần thiết kế như sau: Ngõ ra vi xử lý khi ở mức cao sẽ là 5v, có thể dùng giá trị điện trở R8=4.7 kΩ. Ta có cơng thức tính như sau:
IB = 𝑈
𝑅 = 5 (V ) / 4.7(KΩ) = 1.063 (mA) (3.4) Dòng điện mà IB vừa tạo có thể kích Transistor hoạt động, đồng thời làm relay đóng, làm cho thiết bị được bật. Như ta đã biết về cấu tạo của relay (rờ le), bên trong có một cuộn dây để hút các tiếp điểm đóng mở. Chính vì bên trong cuộn dây có cuộn dây, mà khi có dịng điện chạy qua cuộc dây sẽ nạp một năng lượng dưới dạng từ trường. Chính từ trường này sẽ sinh ra áp cảm ứng để hãm lại biến thiên dòng trong cuộn. Cuộn cảm tích thế năng từ trường và sẽ giải phóng khi nó mất dịng cũng như hấp thụ từ từ khi có dịng chạy vào nó. Cuộn giải phóng năng lượng qua áp, nếu rút một cuộn đã tích từ sẵn và để hở hai đầu, nó sẽ bị mất dịng đột ngột và giải phóng hết năng lượng, sinh ra áp cực lớn (trong khi với tụ, phải chập hai đầu thì mới sinh ra dịng cực lớn). Áp cực lớn khi cuộn bị hở gây ra những áp ngược không mong muốn, làm cháy Transistor. Do đó, ta phải gắn thêm diode D2 nhằm mục đích để bảo vệ Transistor.
- Mạch tạo tín hiệu điều khiển:
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 31 Hình 3.7 là sơ đồ mạch kích dùng Transistor khi mức logic chân GPIO của kit Raspberry lên mức 1, điều khiển mạch gửi tin nhắn cảnh báo và điều khiển thiết bị. Điện áp và dòng điện của GPIO khi ngõ ra mức cao là 3.3 v là dịng là < 16mA. Vì vậy, để kích Transistor C1815, ta cần tính dịng tương tự phần kích relay hoạt động. Từ datasheet của Transistor C1815, ta có thể xác định được các thơng số sau:
Hfe = β = 100 và IC = 150 (mA)
Tính dịng IB kích cho Q1, cơng thức tính dịng kích như sau:
IB = 𝑈
𝑅 = 5 (V ) / 4.7(KΩ) = 1.063 (mA) (3.5) Tương tự như với Q5, xác định dịng kích bằng cách tương tự như cơng thức (3.5).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 32
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1. GIỚI THIỆU
Hệ thống chạy trên kit Raspberry, với sự hỗ trợ của ngôn ngữ Matlab được chạy trên hệ điều hành windows máy tính. Do đó nhóm thực hiện chỉ thi cơng mạch báo động, bao gồm gửi tín nhắn, báo cịi và báo đèn. Khi hệ thống phát hiện người, Camera có nhiệm vụ chụp ảnh để dùng Matlab phân tích, xử lý hình ảnh chụp được. sau đó gửi tín hiệu xuống Raspberry kích chân GPIO. Đồng thời, vi xử lý sẽ nhận được tín hiệu và sẽ gửi tin nhắn để cảnh báo. Hệ thống được lắp kín để bảo đảm tính thẩm mỹ và bảo vệ linh kiện bên trong.
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG BÁO ĐỘNG
4.2.1. Thi công mạch
Trong đồ án này, phần mềm Protues của hãng Labcenter được dùng để vẽ sơ đồ nguyên lý, mô phỏng và thiết kế mạch điện. Gồm có 2 phần là:
ISIS dùng để vẽ sơ đồ nguyên lý và chạy mô phỏng mạch điện. ARES dùng để thiết kế mạch in.
Bảng 4.1. Các linh kiện sử dụng trong mạch
STT Ký hiệu Tên linh kiện Số lượng Ghi chú
1 LM2596 IC nguồn LM2596 1 Loại chân cắm
2 C1 C2 Tụ điện 220uF 2 Loại phân cực
3 Jack 5.5 mm Jack nguồn 5.5 mm 1 Loại lỗ tròn
4 K1 Nút nhấn không giữ 1 Loại chân cắm
5 C4 Tụ điện 10 uF 1 Loại phân cực
6 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7,R8, R23 Điện trở các loại 4,7kΩ; 330Ω; 1kΩ, 4,7kΩ ; 10kΩ 8 Loại 0.6 W 7 X1 Thạch anh 1 Loại 20M
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 33
8 U17 Vi xử lý PIC 16F887 1 Loại chân cắm
9 Q1, Q2, Q3, Q4 Transister C1815 4 Loại 2.54 mm
10 J2 Jack cắm Sim900 1 Loại chân cắm
11 D2 D4 Diode 1N4007 2 Loại 2.54 mm
12 RL1, RL2 Relay 12VDC 2 Loại chân cắm
13 POT1 Biến trở 10k 1 Loại chân tam giác
14 LCD 16x2 Màn hình LCD 16x2 1 Loại 16x2
15 D1, D3 LED báo tín hiệu 2 Loại LED màu đỏ
- Sơ đồ mạch in
Trong hình 4.1 cho ta thấy sơ đồ mạch in của mạch điều khiển gửi tin nhắn. Trong sơ đồ này bao gồm vi xử lý để xử lý tín hiệu và điều khiển, LCD để hiển thị trạng thái của hệ thống, Sim900 để gửi nhận tin và khối nguồn cung cấp là các phần chính.
Hình 4.1. Mạch in mạch điều khiển
- Sơ đồ bố trí linh kiện
Hình 4.2 trình bày cách bố trí linh kiện của mạch. So với sơ đồ mạch in thì sơ đồ bố trí linh kiện sẽ dễ quan sát hơn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 34
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí linh kiện 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra
Từ những liệt kê của bảng ở bảng 4.1 và sơ đồ bố trí trên, ta phải lắp tất cả linh kiện vào và hàn chân cho linh kiện. Sau khi đã hàn xong tất cả các linh kiện, ta có thể kiểm tra bằng cách dùng VOM để xem mạch có bị hở khơng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 35
Hình 4.4. Mơ hình thi cơng thực tế
4.3. MÔ TẢ HỆ THỐNG BÁO TRỘM
Sau khi thiết kế, mạch điều khiển đã được đóng hộp bảo vệ như hình 4.5.
Hình 4.5. Các mạch điều khiển được đóng hộp bảo vệ
Nút nhấn, tụ 10uF để Reset mạch. Thạch anh 20 M tạo dao động. Vi xử lý PIC 16F887 Module LM2596 tạo nguồn 5v-3A 5.5mm 2 transister C1815 và 2 điện trở 4,7kΩ Jack cắm. LCD 16X2 Sim900 Relay 12VDC Transister C1815 Led báo tín hiệu Trở 330Ω Diode 1N4007 LM2596, 2 tụ
220uF, biến trở để thay đổi điện áp, Jack nguồn Led báo nguồn
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 36
Hình 4.6. Các mạch được kết nối với nhau
Kết nối các thành phần lại với nhau tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Hệ thống bao gồm các thành phần quan trọng như sau: kit Raspberry và Camera pi để lấy hình ảnh và xuất tín hiệu điều khiển cảnh báo bằng tin nhắn. Mạch gửi tin nhắn lấy tín hiệu điều khiển từ Raspberry để vi xử lý điều khiển, gửi tin nhắn cảnh báo. Phần mềm Matlab 2014a được cài đặt trên máy tính là ngơn ngữ chính để xử lý ảnh và điều khiển hoạt động. Tồn bộ hệ thống được trình bày như trong hình 4.6.
4.4. GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1. Nhận dạng khuôn mặt và dáng người
Camera sau khi chụp được dáng người hoặc khuôn mặt sẽ chuẩn hóa kích thước ảnh sao cho giống với kích thước của dữ liệu ảnh so sánh. Sau đó, hệ thống sẽ chuyển sang ảnh xám để giảm dung lượng của ảnh, nhưng các đặc điểm đặc trưng vẫn không thay đổi. Việc xử lý ảnh màu trên kit Raspberry sẽ khó khăn hơn do dung lượng ảnh lớn, làm tốc độ xử lý ảnh bị chậm đi. Hệ thống sẽ xét có phải là khn mặt khơng, nếu có hệ thống sẽ nhận dạng để tìm ra có người trong dữ liệu ảnh hay khơng. Nếu không phải là người trong cơ sở dữ liệu ảnh thì hệ thống sẽ gửi tin nhắn cảnh báo. Ngược lại, nếu ảnh nhận vào là dáng người di chuyển thì hệ thống sẽ gửi tin nhắn LCD hiển thị Module Camera pi Giao diện điều khiển hệ thống Còi báo động Đèn báo
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 37 cảnh báo là có người xuất hiện. Hình 4.7 là lưu đồ q trình nhận dạng khn mặt và