Tài liệu Hệ thống bật tắt đèn tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ====o0o==== BÁO CÁO ĐỒ ÁN I ĐỀ TÀI HỆ THỐNG BẬT TẮT ĐÈN TỰ ĐỘNG Tên sinh viên 1. Lê Văn Duẩn 2. Nguyễn Đức Tuấn Lớp MSSV KTĐK TĐH 03-K58 20130568 KTĐK TĐH 02-K58 20134295 GVHD: TS.Lê Minh Thùy Hà Nội, 20 tháng 6 năm 2016 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển với tốc độ nhanh chóng,cuộc sống của chúng ta vì vậy mà cũng thay đổi,văn minh và hiện đại hơn.Sự phát triển của ngành kỹ thuật điện tử đã tạo ra nhiều thiết bị gọn nhẹ,xử lí nhanh và rất chính xác. Cùng với sự phát triển vượt trội của cảm biến trong những năm gần đây, các thiết bị điện tử ứng dụng cảm biến cũng ra đời, với nhiều tính năng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Trên cơ sở kiến thức đã học trong các môn học: điện tử tương tự, điện tử số … và các kiến thức điện tử trong quá trình tìm hiểu, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “ Hệ thống bật tắt đèn tự động”. Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, thêm vào đó đây cũng là lần đầu tiên chúng em thực hiện đề tài nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót,hạn chế vì thế chúng em rất mong có được sự góp ý từ cô giáo để có thể hoàn thiện đề tài của mình. Chúng em xin chân thành cảm ơn TS.Lê Minh Thùy đã giúp đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình tìm hiểu ,thiết kế và hoàn thành đề tài này . Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2016 Hệ thống bật tắt đèn tự động. MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 ................................................................................................. 4 1.1 Lý do chọn đề tài ............................................................................... 4 1.2 Các sản phẩm trên thị trường.......................................................... 4 1.3 Nhiệm vụ thiết kế .............................................................................. 4 CHƯƠNG 2 ................................................................................................. 5 2.1 Sơ đồ khối .......................................................................................... 5 2.2 Phân tích các khối chức năng .......................................................... 5 2.2.1 Khối nguồn ................................................................................. 5 2.2.2 Khối cảm biến ............................................................................. 6 2.2.3 Khối điều khiển .......................................................................... 8 2.2.4 Khối chấp hành ........................................................................ 11 CHƯƠNG 3 ............................................................................................... 12 3.1 Thi công mạch ................................................................................. 12 3.2 Kết quả và đánh giá ........................................................................ 13 3.3 Hướng phát triển ............................................................................. 14 KẾT LUẬN ................................................................................................ 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 15 SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 3 Hệ thống bật tắt đèn tự động. CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH 1.1 Lý do chọn đề tài Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu của con người ngày càng tăng cao, đồng thời tiết kiệm năng lượng cũng đang là nhiệm vụ hàng đầu của mỗi quốc gia. Thiết bị chiếu sáng luôn gắn liền với đời sống của con người, vì vậy việc kiểm soát các thiết bị chiếu sáng, bật tắt thích hợp là rất cần thiết để tạo sự tiện nghi cho người sử dụng cũng như giảm đáng kể sự lãng phí năng lượng không cần thiết. Chính vì vậy, nhóm chúng em quyết định thiết kế một sản phẩm giúp nhận biết sự di chuyển của cơ thể con người để bật tắt đèn, tạo sự tiện nghi cho người sử dụng đồng thời tiết kiệm điện năng, tránh lãng phí khi không có người sử dụng. 1.2 Các sản phẩm trên thị trường Hiện nay, trên thị trường đã có những sản phẩm với tính năng cảm biến hồng ngoại phát hiện người tuy nhiên phạm vi còn hạn chế, dễ bị tác động nhiễu. Các sản phẩm có chất lượng và giá cả tuy đa dạng nhưng khó đáp ứng được nhu cầu chung của người sử dụng. 1.3 Nhiệm vụ thiết kế Thiết bị có khả năng phát hiện chuyển động của con người, khi có người bước vào vùng hoạt động, thiết bị sẽ nhận biết chuyển động và đưa tín hiệu ra rơ le bật đèn, khi người đi ra khỏi vùng hoạt động, rơ le sẽ chuyển trạng thái và tắt đèn. SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 4 Hệ thống bật tắt đèn tự động. CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Sơ đồ khối Hình 2-1: Sơ đồi khối Khối nguồn: Cấp nguồn cho cảm biến, vi điều khiển và rơle Khối cảm biến: Nhận biết chuyển động Khối điều khiển: Điều khiển bật tắt đèn Khối chấp hành: Thực hiện bật tắt đèn Hình 2-2: Lưu đồ thuật toán 2.2 Phân tích các khối chức năng 2.2.1 Khối nguồn Sử dụng IC LM7805CV để cấp nguồn cho khối cảm biến, khối điều khiển và khối chấp hành bao gồm IC LM324, vi điều khiển AT89S52, rơ le 5V 10A. Hình 2-3: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 5 Hệ thống bật tắt đèn tự động. 2.2.2 Khối cảm biến Khối cảm biến có nhiệm vụ phát hiện chuyển động của con người, sau đó gửi tín hiệu đến rơ le để bật tắt đèn. Loại cảm biến thông dụng nhất để phát hiện người là cảm biến hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại thông thường gồm một đầu phát tia hồng ngoại và một đầu thu. Đầu phát phát ra sóng có cùng bước sóng với đầu thu trong miền hồng ngoại. Khi có vật cản trước 2 đầu thì đầu thu nhận được tia hồng ngoại từ đầu phát phản lại. Hình 2-4: Mắt thu phát hồng ngoại Mạch thu phát hồng ngoại được ứng dụng trong việc đếm sản phẩm, chống trộm. Tuy nhiên, để nhận biết chuyển động của người thì nó có nhược điểm là khoảng cách ngắn, khó nhận biết được vì còn phụ thuộc vào màu sắc vật thể. Một loại các biến hồng ngoại khác được gọi là cảm biến chuyển động (PIR), dùng để nhận biết chuyển động của những vật phát ra tia hồng ngoại. Hình 2-5: Mắt cảm biến PIR và mạch tương đương Cấu tạo gồm 2 cảm biến tia nhiệt, có 3 đầu ra, một đầu nối nguồn từ 315VDC, một chân đất và một chân tín hiệu ra. Mắt cảm biến được bọc bởi kính fresnel để hội tụ tia hồng ngoại thu được. Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 6 Hệ thống bật tắt đèn tự động. ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động. Hình 2-6: Tín hiệu ra của cảm biến PIR Chọn mắt cảm biến D203S, có các thông số kĩ thuật : Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật D203S Cực nhận sóng hồng ngoại 2x1mm, 2 cực Vùng quang phổ kích thích 5-14µm Hệ số truyền 75% Tín hiệu ra ≥3.5V Nguồn cấp 3-15V Tín hiệu ra của cảm biến thay đổi rất nhỏ và rất khó nhận biết, vì vậy cần qua các tầng khuếch đại và so sánh để có tín hiệu đưa vào transistor kích rơ le bật đèn. Do môi trường xung quanh dễ bị nhiễu tác động nên trước khi khuếch đại cần phải loại bỏ nhiễu để có tín hiệu ra chính xác, tránh tình trạng bật tắt đèn không theo ý muốn. Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 7 Hệ thống bật tắt đèn tự động. Tín hiệu từ cảm biến sẽ được đi qua khuếch đại trước khi đưa vào vi điều khiển. Mạch sử dụng khuếch đại thuật toán LM324 với nguồn đơn 5V gồm 3 tầng khuếch đại Tầng 1 có nhiệm vụ lọc nhiễu, loại bỏ thành phần một chiều và khuếch đại tín hiệu. Nhiễu cao tần được lọc qua R5 và C7, tần số cắt là fc= 5Hz ( 1 2𝜋∗𝑅5∗𝐶7 ). Mạch không cần lấy tín hiệu cao tần vì mục đích sử dụng để nhận biết chuyển động của con người. Thành phần DC được lọc qua tụ R4 và C6, tần số cắt là fc= 0.5Hz ( 1 2𝜋∗𝑅4∗𝐶6 ). Hệ số khuếch đại là 200 ( 1 + R5/R4), tín hiệu DC bằng 0.6V sẽ không được khuếch đại và phụ thuộc vào cảm biến. Tầng 2 có cấu trúc tương tự như tầng 1, mục đích để lọc và khuếch đại tín hiệu, hệ số khuếch đại là 6.7. Giữa tầng 1 và tầng 2 được liên hệ qua tụ liên lạc C8=22uF. Tín hiệu ra sẽ dao động quanh điện áp phân áp đầu vào, khoảng 1.6V. Tầng 3 là mạch so sánh cửa số, có nhiệm vụ đưa ra điện áp mức cao khi có người đi vào vùng cảm biến. 2.2.3 Khối điều khiển a. Tổng quan về 89S52 AT89S52 là họ vi điều khiển do hãng Intel sản xuất. Các sản phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển. Việc xử lý trên byte và các tính toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội. Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia. Nó cung cấp những hỗ trợ mở rộng trên chip dành cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển.AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 Kbyte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3 TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vector ngắt, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP. Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm tắt như sau:  8 Kbyte bộ nhớ có thể lập trình nhanh.  Tần số hoạt động từ 0Hz đến 24MHz.  3 mức khóa bộ nhớ chương trình.  3 bộ TIMER/COUNTER 16 Bit.  128 Byte RAM nội.  4 Port xuất/nhập 8 bit.  Giao tiếp nối tiếp.  64 KB vùng nhớ mã ngoài.  4µs cho hoạt động nhân hoặc chia. SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 8 Hệ thống bật tắt đèn tự động. Hình 2-8: Sơ đồ cấu trúc MCS 51 Sơ đồ chân 89S52: Mặc dù các thành viên của họ 8051 (ví dụ 7851, 89S52, 89C51,DS5000) đều có các kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual In-Line Pakage), dạng vỏ dẹt vuông QPF (Quad Flat Pakage) và dạng chip không có chân đỡ LLC ( Leadless Chip Carrier) thì chúng đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào ra I/O, đọc,ghi địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Cần phải lưu ý một số hãng cung cấp một phiên bản 8051 có 20 chân với số cổng vào ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu ít hơn. Hình 2-9: Sơ đồ chân AT89S52 Trong ứng dụng này, vi điều khiển chỉ được sử dụng để đọc tín hiệu từ cảm biến và xuất tín hiệu ra điều khiển rơ le. Vì vậy nội dung phần này tập trung vào cổng vào ra của AT89S52. SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 9 Hệ thống bật tắt đèn tự động. Port 0: từ chân 32 đến chân 39 (P0.0_P0.7). Port 0 có hai chức năng: trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O, đối với các thiết kế lớn có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu. Để sử dụng port 0 cần nối điện trở treo. Port 1: từ chân 1 đến chân 9 (P1.0_P1.7). Port 1 là Port I/O dùng cho giao tiếp với cácthiết bị bên ngoài nếu cần. Port 2: từ chân 21 đến chân 28 (P2.0_P2.7). Port 2 là một port có tác dụng kép dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng. Port 3: từ chân 10 đến chân 17 (P3.0_P3.7). Port 3 là Port có tác dụng kép. Các chân của Port này có nhiều chức năng, có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các đặc tính đặc biệt của 89S52 như sau: P3.0 (RXD) : Ngõ vào dữ liệu nối tiếp. P3.1 (TXD): Ngõ xuất dữ liệu nối tiêp. P3.2 (INT0): Ngắt ngoài Timer0. P3.3 (INT1): Ngắt ngoài T1. P3.4 (T0) : Ngõ vào TIMER/COUNTER thứ 0. P3.5 (T1) Ngõ vào TIMER/COUNTER thứ 1. P3.6 (WR) : Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài. P3.7 (RD): Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài. b. Chức năng của AT89S52 Vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến nếu tín hiệu tích cực cao thì đưa ra tín hiệu logic 0 ra cổng P2.0 để điều khiển rơ le tác động bóng đèn sáng, còn tín hiệu tích cực thấp thì đưa ra tín hiệu logic 1 dẫn đến rơ le không tác động bóng đèn tắt. Vi điều khiển còn được dùng để tạo trễ để khi cảm biến không phát hiện được chuyển động thì chân ra điều khiển vẫn giữ ở mức logic 0 hay thì đèn vẫn sáng sau một thời gian delay là 20s, thời gian này có thể thay đổi khi lập trình. Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 10 Hệ thống bật tắt đèn tự động. 2.2.4 Khối chấp hành Hình 2-11: Sơ đồ nguyên lý khối chấp hành Vì phải điều khiển đèn điện áp định mức 220V, và tần số đóng cắt của thiết bị nhỏ, nên ta có thể sử dụng rơ le để giao tiếp giữa vi điều khiển với thiết bị điều khiển.Tuy nhiên, ngõ ra của vi điều khiển có dòng rất nhỏ không đủ dòng để điều khiển trực tiếp đóng mở relay, vì vậy để điều khiển relay ta cần một linh kiện gián tiếp giao tiếp với vi điều khiển và relay. Mạch sử dụng opto PC817 để cách ly giữa phần điểu khiển và phần mạch lực. Chân P2.0 tín hiệu logic 0 thì LED phía trong opto sáng, xảy ra hiệu ứng quang điện dẫn đến 3-4 thông, chân 3 sẽ tích cực dương làm cho transistor mở cấp điện cho cuộn hút rơ le khiến cho rơ le tác động. Khi chân P2.0 của vđk tín hiệu logic là 1 thì LED phía trong opto không sáng nên không xảy ra hiệu ứng quang điện dẫn 3-4 không thông, không mở transistor do đó rơ le không tác động. SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 11 Hệ thống bật tắt đèn tự động. CHƯƠNG 3 THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Thi công mạch Hình 3-1: Sơ đồ nguyên lý SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 12 Hệ thống bật tắt đèn tự động. Hình 3-2: Sơ đồ mạch in Hình 3-3: Mặt trước sản phẩm Hình 3-4: Mặt sau sản phẩm 3.2 Kết quả và đánh giá Phạm vi hoạt động từ 2-3m, phụ thuộc vào điều kiện môi trường lắp đặt. Khi kết nối đèn với thiết bị qua rơ le, nếu có người trong phạm vi 2-3m , đèn sẽ sáng và khi người đi ra khỏi vùng hoạt động, đèn sẽ tắt sau 20s. Do qua trình làm thủ công nên mạch chưa có tính thẩm mỹ cao và hoạt động vẫn chưa thực sự ổn định.Cảm biến hồng ngoại rất nhạy với tác động bên ngoài SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 13 Hệ thống bật tắt đèn tự động. như nhiệt độ, ánh sáng, gió nên thiết bị cần lắp đặt ở nơi thích hợp, tránh những nguồn phát ra nhiệt như lò sửa, điều hòa hoặc nơi có ánh sáng trực tiếp. Thiết bị được ứng dụng lắp đặt ở cầu thang, nhà vệ sinh, cổng ra vào. 3.3 Hướng phát triển Sản phẩm sau khi hoàn thành vẫn còn những hạn chế, vì vậy hướng phát triển tiếp theo là chống nhiễu để sản phẩm hoạt động ổn định. Sau đó có thể ghép nối truyền thông với máy tính và các phương tiện truyền thông khác để thông báo cho người sử dụng khi nào có người đi vào vùng cảm biến. KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu,thiết kế và thi công mạch dưới sự hướng dẫn tận tình của cô Lê Minh Thùy, nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài “ Hệ thống bật tắt đèn tự động” .Tuy trong quá trình tiến hành đề tài còn gặp nhiều khó khăn do sự nghiên cứu còn thiếu sót,ít kinh nghiệm thực tế nhưng nhóm em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm trong học tập cũng như tinh thần làm việc nhóm. Sản phẩm thu được nhỏ gọn, dễ sử dụng,tiện lợi, tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục. Hướng phát triển của đề tài có thể kết hợp khối điều khiển để sản phẩm có thêm nhiều chức năng, đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. Cuối cùng,chúng em xin chân thành cảm ơn cô Lê Minh Thùy đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành đề tài này. SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 14 Hệ thống bật tắt đèn tự động. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điện tử tương tự, Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường, Nhà xuất bản giáo dục 2011 [2] Cấu trúc và lập trình học vi điều khiển 8051, Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, NXB KH&KT [3] Signal conditioning for pyroelectric passive infrared (PIR) sensors Application Notes AN4368 SVTH: Lê Văn Duẩn – Nguyễn Đức Tuấn 15