điều khiển và giám sát nhà cao tầng dùng vi xử lý 89c51

PHẦN I
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Chương I
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TOÀ NHÀ
BẰNG VI XỬ LÝ 89C51
I. Yêu cầu của đề tài:
Trong cuộc sống hiện tại, khoa học kỹ thuật phát triển rất nhanh, những công
cụ ra đời sẽ giúp giải phóng sự lao động trí óc: nghiên cứu, cải tiến, sáng tạo. Chỉ tiêu
của khoa học kỹ thuật là làm sao nâng cao được chất lượng và hiệu suất công việc,
hầu như công nghệ tự động ra đời là đáp ứng nhu cầu đó. Cho nên, em đã nghiên cứu
về đề tài “ Điều khiển giám sát nhà cao tầng dùng vi xử lý 89C51 qua mạng RS-485.
Các kít vi xử lý này có thể hoạt động hoàn toàn độc lập theo một chương trình lập
sẵn. Bên cạnh đó, chúng còn có thể được giám sát và điều khiển các thiết bị trong
từng phòng thông qua gởi lệnh đến đúng kít vi xử lý cần điều khiển để thi hành lệnh
đó. Ngoài việc điều khiển các thiết bị dùng điện trong phòng, ta còn có thể đảm bảo
an ninh cho từng phòng bằng hệ thống phát hiện cháy, phát hiện trộm bằng cảm biến
quang.
Một chuyên gia về công nghệ nhà thông minh ( Home Automation ) – Kenne
P.Wacks – đã viết một bài báo giới thiệu về ngôi nhà thông minh như sau:
“ Hơn 6 năm qua, một công nghệ mới gọi là công nghệ nhà thông minh đã
được nghiên cứu và phát triển. Công nghệ này sẽ tạo nên một thế hệ mới của các thiết
bị cung cấp cho người dùng chúng. Những công nghệ trước đó cùng với khái niệm
ngôi nhà thông minh sau này sẽ tạo nên những sản phẩm và loại hình dịch vụ mới mẻ
trong tương lai. Một số ít các công ty đang giới thiệu về ngôi nhà tự động. Một vài
công ty lớn và các viện nghiện cứu đang thăm dò công nghệ mới nhưng đầy tiềm
năng này.
Mạng truyền thông trong nhà sẽ cung cấp những cơ sở hạ tầng để liên kết các
thiết bị cảm biến, bộ điều khiển và bảng điều khiển trong nhà. Điều này sẽ trở nên khả
thi bằng cách tạo ra sự phát triển công nghệ truyền thông trong những ngôi nhà tự
động.
Trong ngôi nhà thông minh từ “thiết bị” không chỉ đề cập đến các dụng cụ

trong nhà bếp, thiết bị video/audio, các hệ thống có thể dịch chuyển , các thiết bị
chiếu sáng, thiết bị sưởi ấm, làm lạnh, hệ thống an ninh Công nghệ này sẽ bật đèn
xanh cho các công ty nghiên cứu cho ra đời những sản phẩm và hình thức dịch vụ
mới. Các sản phẩm này sẽ có chung điểm tương đồng nào đó hay là những thuộc tính
tương tự nhau. Các thuộc tính đó là:
 Vai trò của các thiết bị trong nhà thông minh: hầu hết các thiết bị trong
nhà đều có vỏ bằng nhựa hay kim loại. Một vài thiết bị vận hành độc lập với các thiết
bị khác. Tuy nhiên cũng có những dụng cụ cần có một thiết bị khác điều khiển nó.
Các thiết bị trong ngôi nhà thông minh đều có thể truyền dữ liệu. Ta sẽ nhóm các thiết
bị này lại chung một nhóm. Ví dụ: hệ thống an ninh, hệ thống Audio/Video. Trong
Trang 1
tương lai các hệ thống này có thể cho phép máy giặt hay máy rửa chén yêu cầu bộ
phận nung nóng nước, chuẩn bị nước nóng khi chúng cần đến.
 Sự hợp nhất các chuẩn truyền thông: các thiết bị trong tương lai đều có
một chuẩn truyền thông chung, có cùng dây nối đặc biệt. Tiêu chuẩn của ngôi nhà
thông minh là sẽ làm nhẹ bớt đi công việc của các nhà sản xuất về việc phải sáng chế
ra giao thức truyền thông và cung cấp các đường dây dẫn dữ liệu.
 Yêu cầu của đề tài mà em được giao:
- Thiết kế phần cứng mạch báo cháy tự động.
- Mạch động lực điều khiển thiết bị dùng điện bằng vi xử lý.
- Mạch phát hiện trộm bằng cảm biến: dùng LED hồng ngoại.
- Mạch giao tiếp máy tính của từng vi xử lý.
- Lập trình giao tiếp bằng ngôn ngữ visual basic.
II. Hướng thực hiện đề tài
Để thực hiện được phần cứng đảm bảo yêu cầu như trên, em đã thiết kế mạch
mô phỏng cảm biến quang phát hiện trộm và cảm biến quang đếm người ra vào
phòng. Do mạch cảm biến cháy có giá trị rất cao nên em đã dùng một IC đo nhiệt độ
để mô phỏng. Đó là IC nhiệt LM 335. Dùng vi xử lý 89C51 để điều khiển mạch động
lực đóng tắt các thiết bị.
Chuẩn truyền thông nối tiếp thông dụng hiện nay là RS-232C, tuy nhiên chuẩn

truyền thông này chỉ dùng truyền số liệu trên khoảng cách ngắn (15m). Nên để có thể
truyền dữ liệu từ kit vi xử lý về máy tính ở khoảng cách xa hơn ta dùng chuẩn RS-
485. Để chuyển đổi từ chuẩn RS-232C sang chuẩn RS-485 ta cần phải có một mạch
điện chuyển đổi.
Sơ đồ khối mạch chuyển đổi như sau:
Kit vi xử lý em thiết kế có những chức năng sau:
• Đo nhiệt độ hiện tại trong phòng hiển thị lên LED 7 đoạn, ngoài chức năng
đo nhiệt độ, mạch này còn thay thế cho cảm biến cháy. Khi nhiệt độ trên IC LM335
tăng lên, tùy theo từng mức được lập sẵn trong chương trình mà nó sẽ báo chuông,
hay sẽ gởi dữ liệu về máy tính để cho biết trạng thái hiện tại trong phòng theo giao
thức truyền dữ liệu theo kiểu hỏi vòng.
• Ngoài ra, mạch còn có chức năng đếm số người đi ra hay vào phòng. Trong
phòng để đảm bảo tính tự động hoàn toàn sẽ không có công tắc điện của những thiết
bị mà vi xử lý có thể điều khiển. Nếu số người trong phòng lớn hơn hay bằng 1 thì vi
Trang 2
PC
3
7
2
TXD
RTS
RXD
Max
232
75176
Kit vi xử lí
I
Kit vi xử lí
II
Sơ đồ khối mạch kết nối giữa máy tính và các kit vi xử lí

xử lý sẽ gởi một tín hiệu đến mạch động lực kích đóng các thiết bị như quạt, máy
lạnh, đèn. Nếu người trong phòng là không thì vi xử lý sẽ gởi một tín hiệu đến mạch
động lực tắt các thiết bị trong phòng. Tuy nhiên, trên mạch có hai nút nhấn hay một số
nút nhấn để người trong phòng có thể điều khiển có tín hiệu hồi tiếp về cho nên vi xử
lý sẽ nhận biết các thiết bị đó đang đóng hay mở. Khi người dùng nhấn nút tương ứng
thì tùy vào trạng thái của thiết bị mà vi xử lý sẽ kích đóng hay ngắt thiết bị đó. Phần
này sẽ làm cho mạch được linh động, không tuân theo chương trình phần mềm cài sẵn
một cách cứng ngắt.
• Giả sử khi nhiệt độ ngoài trời giảm xuống khoảng 15
o
C thì cũng không cần
bật máy lạnh làm gì . Tuy nhiên, vi xử lý cứ nhận thấy có người trong phòng là nó sẽ
đóng nguồn cho máy lạnh hoạt động. Người trong phòng có thể tắt máy lạnh bằng nút
nhấn trên mạch vi xử lý. Ta có thể khắc phục được nhược điểm này bằng cách viết
chương trình cho vi xử lý so sánh nhiệt độ hiện tại trong phòng với nhiệt độ chuẩn
( 15
o
C chẳng hạn ). Nếu nhiệt độ đo được bé hơn 15
o
C thì sẽ tắt máy lạnh đi. Do mạch
sử dụng ADC 0809 sai số tương đối không nhiều, tuy nhiên do mạch gia công tín hiệu
ra của IC nhiệt LM335 cho nên nhiệt độ càng thấp thì áp ra càng nhỏ và ADC sẽ đổi
ra sai số tương đối cao. Sai số này là do mạch gia công gây ra đồng thời cộng thêm sai
số của chính bản thân ADC 0809. Cho nên không đảm bảo rằng mạch hoạt động đúng
như thiết kế ở nhiệt độ nhỏ hơn 15
o
C.
• Mạch cảm biến quang dùng để phát hiện trộm đặt ở những thiết bị hay dụng
cụ cần gìn giữ.
III. Vấn đề kết nối mạng

Thuật ngữ mạng đã trở nên rất quen thuộc khi mạng thông tin Internet ngày
càng trở nên rất gần gũi với con người chúng ta. Nếu quản lý thiết bị trong phòng theo
phương pháp thông thường sẽ không kinh tế và tiết kiệm. Ta cần phải làm sao để tiết
kiệm cho được càng nhiều càng tốt. Cho nên để tránh lãng phí ta nên điều khiển các
thiết bị bằng máy tính. Chỉ cần một nhân viên cũng có thể tắt hay mở thiết bị trong
từng phòng. Nếu ta tắt các thiết bị bằng tay thì sẽ không kinh tế, khi khách ra khỏi
phòng mà quên tắt các thiết bị thì sẽ lãng phí rất nhiều năng lượng điện. Tiết kiệm
được phần năng lượng hao phí đó ta sẽ giúp cho việc giảm giá thành khi kinh doanh
cho thuê phòng chẳng hạn.
Máy tính có khả năng đóng tắt các thiết bị thông qua vi xử lý, đồng lưu trữ
trạng thái các thiết bị trước đó.
Trang 3
PC
Khối chuyển đổi
RS-485 sang R-232
B A
RXD TXD
RTS
Khối chuyển đổi mức
TTL sang RS-485
Khối chuyển đổi mức
TTL sang RS-485
Khối chuyển đổi mức
TTL sang RS-485
A B A A B B
Kit vi xử lí phòng 1 Kit vi xử lí phòng 3Kit vi xử lí phòng 2
TXD
TXD TXD
RXD
RXD

RXD
Điều
khiển
Điều
khiển
Điều
khiển
Sơ đồ khối mạch kết nối giữa máy tính và các kit vi xử lí
Trang 4
Chương II
GIỚI THIỆU VỀ CÁC MẠCH BÁO CHÁY
Cảm biến dựa vào các đặc tính vật lý của vật liệu, các hiện tượng vật lý để
chuyển đổi các đại lượng phi điện thành các tín hiệu điện để đơn giản trong quá trình
đo lường và tính toán.
Mô tả toán học của các cảm biến là một hàm truyền được ký hiệu là H.
Phương trình mô tả cảm biến được biểu diễn như sau:
Đại lượng ra (điện)=H x đại lượng vào (phi điện)
• Các đặc tính chuẩn của cảm biến:
_ Độ nhạy.
_ Độ ổn định
_ Nhiễu (có khả năng hoạt động trong mọi trường có tín hiệu gây
nhiễu hay nhiễu do chính cảm biến sinh ra trong quá trình hoạt động).
_ Tầm đo .
_ Độ tuyến tính (cảm biến có độ tuyến tính càng cao càng tốt).
• Hệ thống báo cháy thường gồm 3 loại mạch báo cháy thông dụng:
_ Mạch báo cháy nhiệt.
_ Mạch báo cháy khói.
_ Mạch báo cháy lửa.
Hầu hết các linh kiện điện tử đều có đặc tính nhiệt thay đổi theo nhiệt độ.
Nhưng để làm cảm biến ta chỉ chọn vật liệu có độ nhạy cao và hàm truyền tốt mà thôi.

Đây là loại cảm biến tương đối phức tạp và tinh vi, sử dụng các linh kiện điện
tử chuyên dụng. Các linh kiện điện tử này có khá nhiều trên thị trường linh, kiện ở
Việt Nam hiện nay. Nó sử dung nguyên tắc dòng hay áp trên các linh, kiện này sẽ
thay đổi khi nhiệt độ tại nơi đặt thiết bị thay đổi. Tùy theo loại mà có thể sẽ tăng hay
giảm các đại lượng điện theo nhiệt độ. Loại cảm biến này rất nhạy nhưng nó sẽ rất
gây ra tình trạng báo động nhầm khi có một nguồn nhiệt để gần cảm biến. Ví dụ như
thân nhiệt con người chẳng hạn.
I. Chuyển đổi nhiệt điện :
Chuyển đổi nhiệt điện là những chuyển đổi dựa trên các quá trình nhiệt như đốt
nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt… Thực tế khi đo lường các đại lượng không điện theo
phương pháp điện thường dùng hai hiện tượng, đó ( là hiệu ứng nhiệt điện và hiệu
ứng thay đổi nhiệt trở của dây dẫn hay chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi.
Tương ứng với hai hiện tượng trên, người ta phân thành hai loại: chuyển đổi
cặp nhiệt điện và chuyển đổi nhiệt điện trở.
1. Chuyển đổi cặp nhiệt điện:
a. Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện : chủ yếu dựa trên hai hiện
tượng sau:
Nếu hai dây dẫn khác nhau nối với nhau tại hai điểm 1 và 2, và một trong hai
điểm đó ( ví dụ ta lấy tại điểm 1) được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng
Trang 5
điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiệu số các hàm số
nhiệt độ
ET = f(t
1
)- f(t
2
)
Mạch điện như còn gọi là cặp nhiệt điện hay cặp điện ngẫu.
Điểm được đốt nóng gọi là đầu công tắc ( điểm 1 ), điểm còn lại gọi là đầu tự
do( điểm thứ 2 ) là hằng số f(t

2
)=const thì:
ET = f(t
1
) – C
Biểu thức trên là cơ sở của phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. Theo phương
pháp này, việc đo nhiệt độ t
1
sẽ dẫn đến việc đo sức điện động của cặp nhiệt điện khi
giữ cố định nhiệt độ đầu tự do của nó.
Vật liệu dùng để chế tạo cặp nhiệt điện ngẫu cần đảm bảo các yêu cầu sau:
quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện với nhiệt độ là một hàm đơn trị, tính chất nhiệt
điện không thay đổi, độ bền hóa học và cơ học phải cao, dẫn nhiệt tốt, có trị số suất
điện động nhiệt lớn.
Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn đặc biệt và đặt trong
thiết bị bảo vệ nhằm tránh bị ăn mòn hóa học, thiết bị này được chế tạo từ vật liệu bền
cơ học, không thấm khí, không bị ăn mòn.
Thiết bị trên thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt. Đối với cặp
nhiệt điện quí , ống bảo vệ chế tạo bằng thạch anh và gốm. Để cách điện người ta
dùng Amian (300
0
C ), ống thạch anh ( với 1000
0
C ) hoặc ống sứ đến 140
0
C.
b. Những nguyên nhân gây sai số và hiệu chỉnh cho đúng:
Ta biết rằng phương trình biến đổi của cặp nhiệt điện trong trường hợp chung,
một cách gần đúng có thể biểu diễn dưới dạng :
ET =A.t+B.t

2
+C.t
3
ET : là sức điện động nhiệt .
T: hiệu nhiệt độ giữa đầu công tắc và đầu tự do.
A, B, C :các hằng số phụ thuộc vào vật liệu của dây làm cặp nhiệt điện.
Và độ nhạy của nó được tính như sau:
S
T
≈ A+2Bt +3Ct
Độ nhạy không phải là hằng số mà phụ thuộc vào nhiệt độ.
Do vậy các cặp nhiệt điện công nghiệp thường cho trước một bảng sức điện
động ứng với các nhiệt độ khác nhau trong khoảng 1
0
C với đầu tự do ở 0
0
C.
c. Chuyển đổi nhiệt điện trở:
Nhiệt điện trở là chuyển đổi có điện trở thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ của
nó.
Tùy theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi người ta
phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng.
Trong nhiệt điện trở không đốt nóng dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm
tăng nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ môi trường. Nhiệt điện trở
loại này dùng để đo nhiệt độ và các đại lượng cơ học như đo sự dịch chuyển.
Nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng
lên cao hơn nhiệt độ môi trường , nên có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Nhiệt
Trang 6
điện trở loại này được dùng trong việc đo lưu lượng, lưu tốc của dòng chảy, phân tích
các chất hóa học… Nhiệt điện trở được chế tạo bằng dây hoặc chất bán dẫn. Yêu cầu

đối với vật liệu chế tạo là có hệ số nhiệt độ lớn, bền hóa học, điện trở suất rất lớn, khó
nóng chảy…
Để giảm tổn hao nhiệt dẫn, chiều dài của nhiệt điện trở cần phải lớn hơn
đường kính dây gấp nhiều lần .
2. Các loại cảm biến nhiệt:
a. Thermocouples:
Thermocouples biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp DC
nhỏ. Nó gồm có hai dây kim loại khác nhau nối với nhau tại hai đầu mối nối. Khi các
mối nối được đặt tại các vị trí khác nhau, trong dây dẫn xuất hiện sức điện động. Sức
điện động này tỉ lệ với chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu mối nối. Thermocouples có
hệ số nhiệt dương.
b. Thermistor:
Thermistor là điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nhưng phi tuyến vả có hệ số
nhiệt âm. Điện trở giảm phi tuyến đối với sự tăng nhiệt độ vì Thermistor là điện trở
nên dòng điện qua nó sinh ra nhiệt gây nên sai số rất lớn. Do đó phải hạn chế dòng
qua nó rất nhỏ.
c. Điện trở dò nhiệt (RTDs):
Cảm biến loại này dựa vào đặc tính trở phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu. Nó có hệ
số nhiệt dương nhỏ, nhưng đo rất chính xác.
d. IC cảm biến nhiệt độ bán dẫn:
IC cảm biến bán dẫn kết hợp với mạch gia công bên trong. Nhờ đó IC có thể
tạo tín hiệu điện áp ra tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, với độ nhạy nhiệt và độ chính xác
cao. IC loại này khá phổ biến trên thị trường hiện nay. Với IC thông dụng hiện nay là
LM335.
II. Mạch phát hiện khói ( dùng cảm biến quang hay cảm biến ion ):
1. Mạch phát hiện khói dùng phương pháp quang ( cảm biến quang):
Loại này được sử dụng linh kiện thu phát quang . Người ta sử dụng linh kiện
phát quang ( LED hồng ngoại ) chiếu một tia sáng qua vùng cần bảo vệ và một linh
kiện thu quang ( Photodiode, Phototransistor, quang trở…). Khi có khói bay lên vùng
cần bảo vệ sẽ che chắn hay làm yếu đi cường độ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu.

Khi cường độ ánh sáng thay đổi đến một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ nhận dạng
được và phát ra tín hiệu báo động.
a. Điện trở quang:
Điện trở quang là một linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp
PN. Vật liệu để chế tạo điện trở quang là Cds (Cadmiun Sulfid) , CdSe (Cadmiun
Selenid ), ZnS ( Zine Sulfid ) hoặc các tinh thể khác.
Khi bị chiếu ánh sáng, độ dẫn điện ( điện dẫn suất ) của vật liệu bán dẫn gia
tăng do các hạt mang điện tích được gia tăng ra thêm.
σ=e(nµ
n
+ pµ
p
)
n và p : là mật độ electron và lỗ trống
Trang 7
µ
n
, µ
p
: là độ di động của electron và lổ trống
Với phương trình trên đô dẫn điện có thể gia tăng nhờ hai cách:
_ Gia tăng mật độ các hạt mang điện tích.
_ Gia tăng độ di động hiệu dụng.
 Các đặc tính quan trọng của một điện trở quang : Điện trở quang có
ba đặc tính quan trọng:
 Độ dẫn suất ( σ
phot
):
Là hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh
sáng :

σ
phot
(u); λ=const.
 Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ:
Đó chính là sự thay đổi dẫn suất σ
phot
hàm số của λ khi mật độ
năng lượng không thay đổi :
u= const

Vận tốc làm việc:
Vận tốc làm việc là thời gian hồi đáp ( Reponse times) của một quang trở khi
có sự thay đổi từ sáng sang tối hay từ tối sang sáng (rise ). Thời gian lên được xác
định là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65 % trị số cuối cùng khi được chiếu sáng
từ 0 lux sang 10 lux.
Thời gian trễ được xác định là khoảng thời gian cần thiết để một quang trở thay
đổi còn 35% giá trị của nó (so với lúc được chiếu sáng – khoảng 10 lux trong 1 s) khi
không còn được chiếu sáng.
Với cường độ ánh sáng mạnh, quang trở làm việc nhanh hơn. Quang trở có
khuynh hướng làm việc chậm đi khi trời lạnh. Quang trở làm việc chậm hơn nếu được
cất giữ trong bóng tối và làm việc nhanh hơn nếu được cất giữ ngoài ánh sáng.
 Các đặc tính quan trọng khác của điện trở quang:

Tiếng ồn –NEP.

Hệ số nhiệt độ của quang trở

Điện trở tối ( Dark Reasistance )

Đặc tính độ dốc


Điện thế hoạt động

Công suất tiêu tán cao nhất

Độ nhạy R[VW
-1
)

Điện trở quang với sự gia tăng độ di động µ
n,p

Điện trở quang với vật liệu không pha tạp chất
2. Mạch phát hiện khói dùng nguyên lý ion (cảm biến ion):
Dưới tác dụng của các tia phóng xạ và tia Rơnghen, chất khí (khói ) sẽ bị ion
hoá. Nếu bình ion hoá được đặt một điện áp thì các điện tử và ion sẽ chuyển động có
Trang 8
S
rel
(λ)=
σ
phot
(λ)
σ
phot
max
hướng và khi đó sẽ tạo thành dòng điện ion. Khi có dòng điện sẽ kích hoạt tín hiệu
báo động.
Dòng ion phụ thuộc vào điện áp đặt lên bình, tính chất của tác nhân ion, môi
trường ion hóa, vật liệu của thành bình và các vật thể khác nằm trên đường đi của các

tác nhân ion hóa. Các tác nhân ion hóa là các tia phóng xạ như tia α, tia β, tia γ, tia
Ronghen.
Chuyển đổi ion hóa có thể nhiều loại khác nhau, song bất kỳ loại nào cũng cần
có nguồn phóng xạ và thiết bị thu các suất phẩm của quá trình ion hóa để tạo thành
dòng điện. Thiết bị đó gọi là bộ thu bức xạ.
Bộ thu bức xạ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng bức xạ hạt nhân thành điện
năng. Bộ thu bức xạ dựa vào hiện tượng ion hóa các tia phóng xạ đi qua nó hoặc dựa
vào hiện tượng ion hóa chất khí khi cho tia phóng xạ đi qua nó hoặc dựa vào hiện
tượng phát quang của một số chất dưới tác dụng của năng lượng bức xạ hạt nhân.
Có ba loại bình thu bức xạ:
• Bình ion hóa .
• Máy đếm phóng điện trong chất khí.
• Máy đếm nhấp nháy.
Trong hình đặc tính Volt Ampere của bình ion hóa và cấu tạo của một bình ion
hóa bằng tia α. Dòng quang điện thường rất nhỏ( 10
-3
_10
-7
)µA. Điện áp đặt lên điện
cực cao áp ( vỏ bình) cỡ hàng nghìn Volt, dòng điện ion lấy qua cực lưới được khuếch
đại bằng các bộ khuếch đại đo lường.
Để tránh dòng điện rò, cách điện giữa các cực lưới và vỏ (cực cao áp) phải đạt
tới (10
8
– 10
13
) MΩ, vì thế điện cực lưới được bọc bởi cực bảo vệ nối đất với mạch đo
lường để thu dòng điện rò từ cực cao áp.
Người ta sử dụng một lượng nhỏ chất phóng xạ để ion hóa không khí trong
hộp cảm biến. Không khí bị ion hóa sẽ dẫn điện và tạo thành một dòng điện chạy

giữa hai điện cực đã được nạp điện. Khi các phần tử khói lọt vào trong vùng cảm nhận
được ion hóa sẽ làm tăng điện trở trong vùng cảm nhận và làm giảm luồng điện giữa
hai điện cực. Khi luồng điện giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ
phát điện và phát tín hiệu báo động.
Nói chung thì loại cảm biến phát hiện khói kiểu ion hóa nhạy hơn và hiệu quả
hơn loại dùng các linh kiện quang điện tử, nhưng linh kiện và vật liệu rất khó kiếm.
Loại phát hiện khói dùng quang dù ít nhạy hơn nhưng linh kiện rất dễ tìm và lắp đặt
tương đối dễ dàng. Tuy nhiên cả hai loại này có thể báo động nhằm do bụi hay khói
lan vào. Cho nên khi thiết kế cần phải xem xét và qui định nồng độ khói nhất định để
thiết bị hoạt động chính xác.
III. Mạch phát hiện cháy :
Dưới tác động của các dòng ánh sáng với bước sóng thích hợp chiếu vào
Catot, điện tử đi từ Catot bị bắn ra, tạo thành dòng điện. Chuyển đổi quang điện
được phân chia thành ba loại:
1. Tế bào quang điện:
Trang 9
Là phần tử quang điện sử dụng hiệu ứng quang điện ngoài. Đó là một đèn chân
không hay có khí mà Catot của nó sẽ phát ra các điện tử dưới tác dụng của dòng ánh
sáng.
2. Quang điện trở:
Là loại chuyển đổi quang điện dựa vào hiệu ứng quang điện. Điện trở của một
vài chất bán dẫn thay đổi dưới tác dụng của dòng ánh sáng. Các chất có hiệu ứng
quang điện trong mạch đó là muối Sunfil Cadmi,…
3. Photo diode:
Là chuyển đổi quang điện, dưới tác dụng của ánh sáng, lớp khóa của một số
mặt ghép các chất bán dẫn sẽ trở thành nguồn dòng điện.
Với hiệu ứng quang điện, ta có thể phát sinh một điện áp ở lớp chuyển tiếp pn,
khi lớp chuyển tiếp này được chiếu sáng. Tùy theo chức năng và cấu trúc, có thể phân
Photodiode thành nhiều loại:
• Diode quang pn.

• Diode quang pin.
• Diode quang loại Schockley.
• Diode quang với các hiệu ứng khác.
Photodiode được dùng với mạch khuếch đại có tổng trở cao:
• Rất tuyến tính.
• Ít nhiễu.
• Dãi tần rộng.
• Nhẹ và có sức bền cơ học.
• Tuổi thọ cao.
IV. Đo nhiệt độ bằng thạch anh:
Một ứng dụng cổ điển của thạch anh là thực hiện bộ dao động có độ vững lớn,
chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Với tinh thể thạch anh có phương tinh thể xác định trước
nó đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng tần số dao động.
Ngược lại, khi dùng làm cảm biến đo nhiệt độ, thạch anh có phương tinh thể làm sao
cho tần số dao động gần như tuyến tính với nhiệt độ tinh thể của thạch anh. Cảm biến
này rất chính xác và nhạy, mặt khác việc xác định nhiệt độ dẫn đến việc đếm tần số có
hai điều lợi:
_ Việc đo rất chính xác.
_ Việc chuyển đổi ra dạng số rất dễ dàng với thông tin liên quan đến tần
số.
1. Cộng hưởng cơ của thạch anh:
Trong tinh thể thạch anh được cắt theo dạng tiết diện vuông, tam giác hoặc
tròn, các đặc tính phụ thuộc vào dạng hình học, và kích thước của chúng cũng như
phương tinh thể. Thạch anh là một chất áp điện. Trong trường hợp mặt phẳng thu điện
tích thẳng góc với trục điện sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu trên mặt phẳng. Đó là
hiệu ứng áp điện trực tiếp.
_ Một sự thay đổi bề dày của bản thạch anh, nén lại hoặc bè ra tùy thuộc
theo dấu của điện áp khi đưa vào các bề mặt, đó là hiệu ứng áp điện ngược.
Trang 10
_ Một bản thạch anh có thể xảy ra các dao động cơ liên quan đến các

loại biến dạng khác nhau: sự kéo dài ra, uốn cong, cắt. Tần số dao động được xác định
bởi dạng thức hình học, kích thước và phương của tinh thể và có thể diễn tả bởi công
thức sau:
ρ
c
l
n
f =
c: Độ lớn đàn hồi, phụ thuộc vào phương tinh thể.
ρ: Trọng lượng riêng của thạch anh.
l: Kích thước của bản thạch anh theo phương truyền động.
n: Số nguyên ; 1<n <5.
Khi áp vào hai mặt của bản thạch anh 1 điện áp xoay chiều tần số bằng với tần
số dao động có thể, hiệu ứng áp điện ngược xảy ra kéo theo sự dao động của bản
thạch anh. Như thế có thể xây dựng một hiện tượng dao động cơ điện với sự biến đổi
tuần hoàn năng lượng cơ ra năng lượng điện và ngược lại, và năng lượng mất mát rất
bé. Hệ số phẩm chất Q đặc trưng cho hiện tượng cộng hưởng có được:
π
2=Q
x
Đối với bản thạch anh, Q có giá trị rất cao, thường từ 10
4
đến 10
5
. Phương của
dao động thạch anh so với trục của tinh thể xác định lực cắt. Thí dụ:
_ Lực cắt X gọi là mẫu Curie: 2 bản cực thẳng góc với trục X. một điện
áp xoay chiều được áp vào 2 mặt đối diện, bản dao động có thể dao động theo chiều
dài và 2 tần số cộng hưởng quan trọng là:
f

1
e
2860
=
va f
2
l
2860
=
; f tính bằng KHz.
e và l : Bề dày và bề rộng của bản tính bằng mm
_ Lực cắt At, hai mặt bản cực quay chung quanh trục X và tạo thành
một góc gần bằng 35
0
so với trục Z, bản dao động có thể dao động theo lực cắt bề dày
và tần số dao động có trị giá:
e
nf
1675
.=
; f:KHz
n: số nguyên ≤ 5
_ Với những lực cắt khác được sử dụng : Tần số dao động cơ luôn luôn
tỉ lệ nghịch vơi1 trong những kích thước của chúng.
Các điện cực cho phép đặt một điện áp vào bản dao động, nó được cấu tạo bởi
thanh kim loại đặt tiếp xúc với bản dao động.
Chung quanh tần số cộng hưởng cơ, về phương diện điện bản thân thạch anh
có thể được biểu thị bằng một lưỡng cực cấu tạo bởi hai nhánh song song.
Trang 11
Năng lượng cơ hoặc điện cực đại

Năng lượng tiêu tán tuần hoàn
CL
C0
R
Một nhánh L, R, C. Các phần tử này có giá trị được xác định bởi đặc tính hình
học, cơ khí và tinh thể của bản dao động và có độ lớn:
L: Từ vài H đến 10
4
H
C: Từ 10
-2
pF đến 10
-1
pF
R: Từ vài KΩ đến vài chục KΩ.
_ Một nhánh gồm điện dung C
0
đó là điện dung được hình thành bởi các
điện cực kim loại có giá trị khoảng: 1 đến 100 pF, tỉ số C/C
0
có giá trị tổng quát từ
10
-2
đến 10
-3
.
Lưỡng cực này có thể có hai tần số cộng hưởng điện:
_ Cộng hưởng nối tiếp của nhánh L,R ,C tần số f
s
:

f
s
=
LC
π
2
1
_ Cộng hưởng song song, giữa C
0
và nhánh L, C, R tần số f
p
:
f
p
=
)0/1(
1
.2
1
CC
CL
+
π
Các tần số này rất gần nhau: (f
p
-f
s
)/f
s
= C/2C

0
2. Độ nhạy nhiệt:
Tất cả sự thay đổi nhiệt độ kéo theo 1 sự thay đổi kích thước của bản dao động,
trong lượng riêng và hệ số đàn hồi, kết quả:
_ Một sự thay đổi tần số cộng hưởng cơ:
ρ
c
l
n
f =
_ Một sự thay đổi các giá trị thành phần L,C, R đặc trưng của bản dao
động, về phương diện điện .
Một cách tổng quát: f(T)=f
0
(1+ aT+bT
2
+ cT
3
);T:
0
C
⇒
`
f
∆
/f
0
= aT+ bT
2
+cT

3
;với
∆
f=f(T)-f
0
Các hệ số a, b, c tùy thuộc lực cắt bản dao động.
Với lực cắt LC ( tuyến tính ) về nguyên tắc các hệ số b và c bằng 0. Độ nhạy nhiệt
của tần số cộng hưởng là một hằng số:
T
f
S
∆
∆
=
=a.f
0
Với a=35,45.10
-6
/
0
C và f
0
= 28,208 MHz thì: S=1000Hz/
0
C
Lực cắt LC thường dùng đối với bản thạch anh dùng làm cảm biến đo nhiệt độ.
3. Cách thực hiện nhiệt kế và đo:
Nhiệt kế được thực hiện bằng cách đặt bản thạch anh bên trong hộp thép chứa
Helium mục đích làm tăng sự dẫn nhiệt thạch anh và hộp. Thạch anh được nối với các
phần tử tác động nhờ dây cáp và sẽ tạo nên dao động với tín hiệu đo e

m
:
e
m
=E
m
cosΩ
m
t với Ω
m
= 2
π
f
m
Trang 12
f
m
=f
0
+
∆
f và
∆
f=S(T-T
0
)=ST khi T
0
=0
0
C

Với mạch dao động chuẩn bằng thạch anh, tạo nên tín hiệu chuẩn e
r
tần số f
0
độc lập với môi trường.
e
r
=E
r
cosΩ
0
t(Ω
0
=2
π
f
0
)
Các tín hiệu e
m
, e
r
được đưa vào mạch thay đổi tần số, mạch nhân chẳng hạn, sẽ tạo
nên tín hiệu V’
0
:
V’
0
=Ke
m

e
r
=E’
0
[ cos(Ω
m
-Ω
0
)t+cos (Ω
m
+Ω
0
)t]
Với một mạch lọc thông thấp qua nó giới hạn tần số cao ở đầu ra:
V
0
=E
0
cos(Ω
m
-Ω
r
)t=E
0
cos 2.
π
.
∆
f.t
Một bộ đệm tần số cho phép xác định tần số

∆
f và với S biết được, sẽ biết T=
∆
f/S.
Đặc tính đo lường của tinh thể thạch anh :
_ Khoảng đo:-80 đến 250
0
C.
_ Khoảng cách tuyến tính:
±
0,05% khoảng đo.
_ Độ nhạy : 1000Hz/
0
C.
_ Khả năng đo:0,0001
0
C.
_ Độ nhanh: hằng số thời gian nhiệt 2,5 giây trong nước có vận tốc
2m/giây.
PHẦN II
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHÀ CAO TẦNG
DÙNG VI XỬ LÝ 89C51
A. Thiết kế mạch :
I. Tổng quan về đề tài:
1. Sơ lược về đề tài:
Trên cơ sở thiết kế một thiết bị bằng cơ điện tử để có thể tạo thành ngôi nhà
thông minh khi gắn thiết bị này vào. Nhờ vào bộ xử lý trung tâm mà thiết bị này có
Trang 13
thể hoạt động một cách chính xác theo chương trình đã lập sẵn. Trong ngôi nhà càng
có nhiều thiết bị thông minh thì càng làm cho cuộc sống tiện nghi hơn. Do tính mềm

dẻo của bộ xử lý trung tâm nên ta có thể nạp lại chương trình điều khiển cho nó tùy
theo từng nhu cầu ứng dụng riêng biệt, cũng như có thể cho phép 1 hay nhiều thiết bị
cùng hoạt động khi đến giờ định sẵn.
Đèn, quạt gió và máy lạnh sẽ tự động bật lên khi có người vào phòng. Máy đun
nước nóng, máy giặt sẽ tự động hoạt động khi đến giờ quy định. Hệ thống tưới cây
trong vườn cũng được điều khiển từ thiết bị này. Cửa gara sẽ tự mở ra khi xe vừa đến
trước cổng và cũng tự đóng lại khi xe ra khỏi gara.
Do sự hạn chế về thời gian cho nên em chỉ thiết kế mạch có một số tính năng
nêu trên:
_ Đèn và quạt gió bật lên khi có người vào nhà.
_ Đèn và quạt gió tắt khi người trong nhà đi ra ngoài hết.
_ Phát hiện nguy cơ gây ra hỏa hoạn và phát tín hiệu chuông báo động.
_ Đo nhiệt độ hiện tại trong phòng và hiển thị lên panel.
_ Có khả năng phát hiện trộm xâm nhập và phát tín hiệu chuông báo động.
Như theo yêu cầu của đề tài: tất cả các kit vi xử lý sẽ được giám sát và có thể
ra lệnh từ máy tính. Máy tính truyền lệnh cần vi xử lý thi hành đến đúng kit vi xử lý
mà nó cần tác động. Có thể là lệnh yêu cầu tắt đèn , quạt, hay là yêu cầu gởi dữ liệu từ
phòng, nhiệt độ, đèn tắt hay mở, bao nhiêu người trong phòng. Theo lý thuyết, thì các
thành viên trong một hệ thống mạng đều có thể liên kết dữ liệu với nhau bằng cách
thông qua Master là PC. Nhưng do mạng trong đề tài em thiết kế không cần tốc độ
cao và cũng không có nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa các kit vi xử lý riêng lẻ, cho nên
em dùng phương pháp hỏi vòng từ PC. Qua đó, PC sẽ lần lượt hỏi vòng tuần tự qua
từng kit vi xử lý. Dữ liệu từ PC gửi về kit vi xử lý gồm có các byte yêu cầu cộng thêm
hai byte thêm vào: một byte đầu tiên xác định địa chỉ nơi đến, byte tiếp theo sẽ xác
định nội dung giao tiếp giữa vi xử lý và PC, chẳng hạn gởi nhiệt độ, số người trong
phòng…Chương trình giao diện và điều khiển truyền số liệu dùng ngôn ngữ lập trình
Visual Basic 6.0
Trang 14
PC
KIT VI XỬ

LÝ PHÒNG 1
KIT VI XỬ
LÝ PHÒNG 2
RS-485
RS-485
RS-485
BUS
Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà
Kit vi xử lý trong phòng 1 và phòng có cùng sơ đồ khối như sau
2. Chức năng của từng khối:
a. Vi xử lý 89C51:
Đây là bộ xứ lý trung tâm của mạch đặt tại từng phòng trong ngôi nhà. 89C51
là loại IC có khả xử lý và điều khiển theo một chương trình đã lập sẵn và có khả năng
thực hiện các yêu cầu gởi đến từ máy tính. Vi xử lý 89C51 trong mạch thiết kế có thể
thực hiện các chức năng như sau:
_ Phát tín hiệu báo động bằng chuông khi phát hiện có trộm xâm nhập.
_ Đo nhiệt độ trong phòng và hiển thị lên một panel đặt trong phòng, khi nhiệt
độ trong phòng khá cao thì nó sẽ ra lệnh bật máy điều hòa nhiệt độ hay quạt gió hoạt
động.
_ Khi phát hiện có nguy cơ hỏa hoạn nó sẽ báo động bằng chuông, sau đó nó sẽ
ngắt CB của nguồn điện.
_ Bật đèn lên khi có người vào phòng.
_ Tắt đèn khi người trong phòng ra ngoài hết.
b. Khối cảm biến quang:
Dùng đề tạo một tín hiệu đưa về vi xử lý, tùy theo mức của tín hiệu này mà
thiết bị sẽ biết được có trômg xâm nhập hay không.
c. Khối hiển thị nhiệt độ:
Khối này có dạng một panel hình chữ nhật được gắn trên từng phòng, nhiệt độ
trong phòng sẽ được hiển thị trên panel này.
d. Mạch động lực:

Dùng để đóng các thiết bị, nhận tín hiệu kích đóng từ vi xử lý.
Trang 15
Vi xử lí
Atmel
89C51
Mạch động lực
đóng cắt các thiết bị
Mạch hồi tiếp
trạng thái thiết bị
Mạch gia công tín
hiệu đo
Mạch hiển thị
nhiệt độ
Cảm biến quang
IC đo nhiệt độ
Mạch nguồn
Sơ đồ khối kit vi xử lý
e. Mạch hồi tiếp trạng thái các thiết bị:
Dựa vào mức của tín hiệu hồi tiếp về mà vi xử lý sẽ biết đươc thiết bị nào đang
bật, thiết bị nào đang tắt.
II. Thiết kế phần cứng
1. Mạch cảm biến quang:
Sơ đồ mạch như sau:
Bình thường không có gì che chắn giữa LED phát và LED thu thì áp ra sẽ là
5V. Khi có vật che chắn giữa LED phát và LED thu thì mạch sẽ cho ra áp là 0V.
Do khi LED thu dẫn thì áp rơi trên R4, chỉ từ 1V – 1,5V nên ta phải đệm thêm
mạch khuếch đại dùng OPAMP. Tùy theo đặc tính của từng con LED phát và LED
thu mà áp đặt trên trở 100 ohm sẽ khác nhau. Bình thường áp đặt trên điện trở 100
ohm là 1V, dùng mạch khuếch đại OPAMP để áp đủ 5V đưa vào vi xử lý.
Để đảm bảo rằng áp đưa trở về vi xử lí sẽ không lớn hơn 5V( tránh hư vi xử lí

khi ta đặt áp vào lớn hơn áp hoạt động cuả nó), ta mắc thêm một Diode Zenner ổn áp
5.1V vào ngõ ra của mạch khuếch đại.
Tính toán mạch khuếch đại:
Dòng qua LED: 10 mA – 20 mA để giúp cho LED hoạt động được lâu dài.
Dòng cực đại mà ta có thể đưa vào chạy qua LED là 20 mA. Thông thường trong tính
toán mạch để đơn giản ta cứ cho dòng chạy qua LED là 15 mA.
Khi LED dẫn, áp trên LED sẽ nằm trong khoảng từ 1,7-2V. Cho nên dòng qua
LED:
I
LED
=
330
25 −
= 9 mA
Khi LED thu dẫn, dòng qua LED
I
LEDTHU
=
320
25 −
=9mA
Ap đưa vào mạch khuếch đại LM741:
V
in
= I
LED thu
x100 = 1 V
Trang 16
R6
1k

INT 0
+
-
U1
AD741
3
2
6
LED PHAT
VCC
R3
330
R5
220
R7
1k
LED THU
R4
10 0
Z ENER
5.1V

Để áp ra LM 741 đúng 5V khi LED thu dẫn ta chọn hệ số khuếch đại như sau:

A
V
=1+ R
I
/R
F

=6
⇒
R
I
/R
F
=5
Chọn R
f
= 2.2 kΩ
⇒ R
I
= 5*2.2 = 11 kΩ
Khi mạch chạy bão hòa thì áp ra trên Diode Zenner 5V là:
V
out
= V
in
x A
v

=

1 x 5 = 5V
Ta dùng Zenner 5.1V để ổn áp ngõ ra ổn định ở mức 5V.
Bình thường, LED phát phátliên tục, khi không có vật che chắn giữa LED phát
và LED thu thì áp ra mạch khuếch đại sẽ đúng 5 V. Vi xử lý sẽ nhận biết đây là trạng
thái mức cao (tích cực). Nếu có vật che chắn giữa LED phát và LED thu thì áp ra sẽ
không phải chính xác là 0 V, mà có thể từ 0 V – 2V. Nằm trong tầm điện áp này thì vi
xử lý sẽ phát hiện ra đây là mức không tích cực (mức thấp ). Tín hiệu này đưa vào

chân INT0 của vi xử lý. Ta sẽ thiết lập chế độ hoạt động ngắt ở cạnh xuống. Nghĩa là
có sự chuyển đổi từ 5V sang 0V thì mạch sẽ xãy ra 1 ngắt.
Để thiết lập chế độ này ta dùng lệnh sau gán cho vi xử lý:
SETB IT0
Lệnh này sẽ cho phép vi xử lí đáp ứng ngắt theo cạnh xuống của tín hiệu áp
đưa vào chân INT0.
2. Mạch mô phỏng cảm biến quang phát hiện người:
Thông thường để phát hiện người đi vào hay đi ra ta dùng một cảm biến quang.
Cách này thông dụng dễ lắp đặt nhưng nó không phân biệt được người vào
người ra. Nó chỉ có thể nhận biết có người thông qua sự thay đổi trạng thái đầu vào là
mức cao hay mức thấp. Bên cạnh đó, còn có một nhược điểm nữa là sẽ gây cho
chương trình chạy sai khi có người vô hình đứng chắn ngang cảm biến quang trong
khoảng thời gian tương đối lâu. Lúc đó vi xử lý sẽ hiểu rằng có rất nhiều người ra vào
nó sẽ bị đếm lầm . Để khắc phục tình trạng này ta dùng cùng lúc hai cảm biến quang
đặt cách nhau ở một khoảng cách xác định. Dựa vào sự thay đổi trạng thái của cảm
Trang 17
U2A
740 8
1
2
3
VCC
P1.0
R1
4.7K
INT1
SW1
CAM BIEN QUANG 1
SW2
CAM BIEN QUANG 2

P1.1
R2
4.7K
biến quang nào trước, cảm biến quang nào sau ta sẽ nhận biết được người ra hay vào
phòng. Phương pháp này rất hiệu quả, nhưng cũng có thể không nhận ra số người một
cách chính xác như ta mong muốn. Giả sử khi có hai người cùng sóng bước thì cảm
biến quang chỉ phát hiện ra một người mà thôi. Ta cũng có thể khắc phục tình trạng
này bằng cách thiết kế cửa sao cho chỉ cho một người qua lọt mà thôi.
Chức năng mạch đếm người được em thiết kế như sau: khi có một cảm biến
quang tác động sẽ làm cho áp trên chân INT1 chuyển từ 1 sang 0. Vi xử lý sẽ nhảy
đến chương trình ngắt kiểm tra giữa hai chân P1.0 và P1.1 xem chân nào xuống mức
0 trước: Nếu P 1.0 tác động trước, P1.1 tác động sau thì ta sẽ nhận biết có người vào.
Nếu P1.1 tác động trước thì ta nhận biết có người ra.
Bình thường khi không nhấn các SW1 và SW2 thì INT1 ở trạng thái tích cực.
Khi một trong hai nút nhấn SW1 và SW2 được nhấn tức là có một chân đưa vào IC
7408 xuống mức 0. Cho nên áp sau khi qua 7408 sẽ là mức 0 (do IC 7408 là IC thực
hiện chức năng logic AND). Tùy thuộc vào ta nhấn nút nhấn nào trước, nút nhấn nào
sau, vi xử lý sẽ phát hiện người ra hay vào mà xử lý chương trình điều khiển.
3. Mạch động lực đóng cắt thiết bị:
Sơ đồ nguyên lý mạch động lực như sau:
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
Khi cần đóng đèn thì vi xử lý sẽ đặt chân điều khiển đèn lên mức tích cực. Khi
đó Opto sẽ dẫn làm cho Phototransistor dẫn bão hòa, áp V
C1
≈ 0.2V, sẽ kéo theo Q1
dẫn. Khi Q1 dẫn sẽ cho phép rơ le đóng. Khi Relay đóng thì đèn sẽ được cấp nguồn:
đèn sáng. Do mạch thiết kế dựa trên nguyên tắc kiểm tra áp trên đèn sẽ biết đèn đóng
hay mở. Khi đèn được đóng bằng Relay điện trở công suất RW sẽ chia áp trên đèn,
Trang 18
D4

1 2
5.1V
VCC
R4
1k
+
-
U2
AD741
3
2
6
Q1
1
23
D1
1 2
P1.3
JP1
DIEU KHIEN DE N
1
2
110 o hm,3W
12
R2
2.2K
R5
22k
Q2 1
23

R1
330
U1
4N26
16
2
5
4
K2
4
3
1
2
+ 12V
R3
1k
D2
12
D5
1 2
R6
22k
D3
1 2
U1
4N26
1 6
2
5
4

do điện trở công suất mắc nối tiếp đèn nên đèn sáng thì trên điện trở công suất sẽ có
áp. Ap này sau khi qua cầu Diode chỉnh lưu sẽ được đưa trở về vi xử lý.
Tính toán mạnh như sau:
R1 = 330 Ω : đảm bảo dòng qua Opto đủ nhỏ để Opto hoạt động tốt.
R2 = 2.2 k để giảm dòng giúp cho Phototransistor được hoạt động bình
thường, không rơi vào tình trạng quá dòng.
Diode D5 dùng để xả dòng điện cảm ứng trong cuộn dây Relay khi ta
kick ngắt Relay.
Điện trở công suất RW, do đèn dùng để thiết kế cho mạch có các thông
số định mức như sau:
U = 220 V
P = 10 W
⇒ I = 0.046 A
Ta cần lấy áp ra trong khoảng 5 V, nên chọn RW như sau:
RW x I = 5 V
⇒ RW = 5/0.046 =110 Ω
Chọn RW = 120 Ω, 5 W
Sau khi qua cầu chỉnh lưu, áp này sẽ thành áp DC, nếu cần ta dùng tụ
1000µ để cho áp ra được thẳng. Qua bộ đệm LM741 để cho áp ra ổn định thì tín hiệu
nối tiếp về được đưa vào một chân của vi xử lý.
Nguyên nhân tại sao khi thiết kế mạch động lực đóng ngắt nguồn ta dùng
nguồn +12V riêng và dùng Opto để kích. Do khi relay đóng ngắt sẽ gây ra nhiễu điện
từ, nhiễu này sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên nguồn cung cấp cho vi xử lý. Nó sẽ làm cho
áp cấp cho vi xử lý có dạng gai áp. Nếu không truyền số liệu về máy tính thì điều này
không quan trọng. Nhưng ta thiết kế mạch có truyền dữ liệu nên cần phải dùng nguồn
riêng và Opto để tránh gây nhiễu sẽ ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu. Đồng thời
Opto cũng thực hiện việc cách ly mạch giữa 2 kit cho nên mạch sẽ hoạt động tốt hơn.
Mạch khuếch đại Opamp dùng để ổn định áp hồi tiếp về khi có nhiều thiết bị
mắc trên cùng đường dây. Khi đó dòng sẽ giảm và áp đặt vào điện trở công suất cũng
giảm theo. Để đảm bảo mạch hoạt động tốt ta dùng mạch khuếch đại áp sau đó dùng

Diode Zenner để ổn áp ở mức +5V đưa vào vi xử lý.
4. Mạch nguồn cung cấp:
Mạch nguồn thiết kế trên nguyên tắc tạo ra nguồn đôi: +/-12V, +/-5V. Để có
thể được như vậy ta dùng biến áp loại 6 đầu ra: 0V, 6V, 9V, 15V, 18V và 24V. Ta sẽ
dùng điểm chuẩn 12V là mass. Cho điện xoay chiều đi qua 2 cầu Diode chỉnh lưu.
Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho các kit vi xử lý
Trang 19
Nắn
dòng
Lọc áp IC ổn
áp
Lọc bỏ
Các gợn
Sóng
5 V
-5V
+12 V
-12V
220V
P2.7
VCC
SW3
DIEU KHIEN DEN
R3
4.7K
Mạch dùng áp lưới chỉnh lưu thành dòng một chiều biến áp chọn loại 3A. Cầu
Diode sẽ chỉnh lưu áp xoay chiều thành dòng một chiều. Bộ phận nắm dòng là tụ 220
µF (25V), nó sẽ làm cho dòng DC được thẳng hơn.
Lọc áp giúp giảm đi các gợn sóng cao tần.
IC ổn áp là các họ IC: 7805 ( ổn áp +5V), 7905 (ổn áp –5), 7912 (ổn áp –12V),

và 7812 ( ổn áp +12).
Do mạch không dùng đến công suất lớn nên không cần dùng đến transistor bổ
trợ dòng cho mạch. Với các Diode chỉnh lưu chọn loại 3A, thì các IC ổn áp sẽ hoạt
động tốt. Ta nên gắng thêm tấm tỏa nhiệt cho 4 IC ổn áp này. Vì khi IC càng nóng thì
áp ra sẽ không ổn định và có nguy cơ chết IC.
5. Mạch hiển thị nhiệt độ bằng LED 7 đoạn:
Để hiển thị nhiệt độ đo được ta dùng các LED 7 đoạn để hiển thị. Dùng IC
74247 để giải mã sang LED 7 đoạn. Mạch hiển thị được nối với Port 2 của vi xử lý. 4
bit thấp của Port2 dùng cho giải mã LED, 4 bit dùng để tạo tín hiệu chọn LED. Ta
dùng phương pháp quét để hiển thị LED. Thời gian giữa hai lần quét cách nhau 1ms
để đảm bảo cho LED đủ sáng. LED được chọn để dùng LED Anode chung.Sơ đồ
mạch kích như sau:
Khi tín hiệu chọn LED = 0, Transistor Q1sẽ dẫn đến V
C
≈ Vcc =5V, tương ứng
với áp để LED sáng. Tín hiệu chọn LED =1 (+5 V) thì transistor sẽ ngưng dẫn, các
LED sẽ tắt vì không có áp.
6. Công tắc đóng ngắt thiết bị theo yêu cầu:
Mạch này mô phỏng chức năng của 1 công tắc
đóng ngắt thiết bị. Khi SW3 không được nhấn
thì P2.7 ở mức cao. Vi xử lý sẽ kiểm tra chân
P2.7=0 nghĩa là ta đã nhấn nút SW thì nó sẽ
thực hiện một chương trình con có nhiệm vụ
đóng đèn khi đèn đang tắt, và tắt đèn khi đèn
đang đóng. Đây là phần thiết kế thêm giúp cho
mạch phần cứng và ngay cả chương trình phần
mềm điều khiển một cách linh động không quá
cứng. Nếu để cho vi xử lý làm nhiệm vụ đếm người và đóng mở đèn hay thiết bị khác
thì người dùng không thể can thiệp và cũng không thể thay đổi gì được chương trình
điều khiển đã lập trình sẵn trong ROM vi xử lý.

Trang 20
A10 15
3
2
1
R2
1k
7SEG
7
6
4
2
1
9
10
5
3
8
a
b
c
d
e
f
g
.
3
8
R1
10 k

T IN HIEU CHON LED
IC giải
mã
LED
74247
Mạch phần cứng thiết kế có phần hồi tiếp trạng thái của các thiết bị. Cho nên
chương trình điều khiển cũng không có gì gây ra phức tạm lắm. Thiết bị đóng, tín
hiệu hồi tiếp về mức 1 (+5V), thiết bị ngắt tín hiệu hồi tiếp về là mức 0(0V). Nếu ta
nhấn nút SW3, và tín hiệu hồi tiếp về đang là mức 0 thì vi xử lý hiểu rằng đó là yêu
cầu đóng thiết bị. Nó sẽ xuất tín hiệu đóng Relay cấp nguồn cho thiết bị. Ngược lại,
nếu tín hiệu hồi tiếp về đang là mức 1 thì vi xử lý sẽ hiểu là yêu cầu ngắt thiết bị và nó
sẽ kích ngắt relay.
Ta cũng có thể thiết kế phần cứng để thực hiện phần này để cho vi xử lý thực
hiện ít công việc nó phải làm. Nếu chỉ dùng một nút nhấn để yêu cầu đóng hay ngắt
thiết bị thì vi xử lý sẽ phải xử lý chương trình. Ta thiết kế hai nút nhấn tương tự như
thế và quy định nút nào nhấn là đóng, ngắt thiết bị.
7. Mạch chuông
Chuông dùng để phát tín hiệu báo động khi có sự cố: cảm biến nhiệt phát hiện
xảy ra hỏa hoạn hay có trộm chẳng hạn. Tùy theo từng sự kiện mà vi xử lý sẽ kích
chuông kêu dài ngắn khác nhau:
- Phát hiện trộm: reo liên tục.
- Nếu nhiệt độ lên gần 100
o
C: chuông reo 3 hồi, mỗi hồi 5 giây và
cách nhau giữa 2 lần là 1 giây.
- Nhiệt độ nằm trong tầm báo động 2: chuông reo 2 hồi, mỗi lần cách
nhau 1 giây và dài 5 giây mỗi hồi.
Do mạch chuông tiêu thụ dòng khá lớn, nên ta phải dùng một relay để kích
đóng ngắt mạch chuông. Dòng lớn sẽ gây chết transistor khi ta dùng transistor để lái
mạch chuông mà không phải dùng relay.

8. Mạch giao tiếp máy tính qua mạng RS-485
Thông thường các họ vi xử lý có ngõ truyền thông theo mức TTL. Và
các thiết bị đầu cuối khác (DTE ) có cổng truyền thông là RS_232. Để có thể nối
mạng các thiết bị này ta phải chuyển từ TTL ,RS_232 sang RS_485. Để thực hiện
việc chuyển đổi này có rất nhiều vi mạch trên thị trường , nhưng họ vi mạch của
hãng MAXIM là phổ biến nhất hiện nay. Đó là MAX 481 , MAX 483, MAX 485 ,
MAX 487 ,MAX 488, MAX 489 , MAX 490, MAX 1487. Tiêu biểu là vi mạch
MAX 485 , nó chuyển từ mức TTL sang RS_485 , truyền theo phương pháp
Half_Duplex.
Trang 21
Bên trong mỗi vi mạch chứa một bộ phát (Driver) và một bộ thu.
 Đặc điểm :
RS _485 là chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ cân bằng, sự truyền thông
tin trên dây xoắn đôi bán song công ( Half _ duplex) , nghĩa là tại một thời điểm
bất kì trên dây truyền chỉ có thể là một thiết bị hoặc là truyền hoặc là nhận.
• RS_485 cho phép 32 bộ truyền trên bus.
• RS_485 có ngõ ra 3 trạng thái.
• RS_485 cho phép tốc độ truyền tối đa là 2.5Mbps.

Sơ đồ chân của MAX_485:
Chân
Tên Chức năng
DIP/SO
µMAX
1 3 RO Ngõ ra bộ thu :
Nếu A > B là200mV, RO là cao.
Nếu A < B là 200mV , RO là thấp.
2 4 /RE Cho phép ngõ ra bộ thu :
RO được cho phéo khi /RE là thấp.
RO là trở kháng cao khi /RE là cao.

3 5 DE Cho phép ngõ ra lái :
Các ngõ ra lái A và B được cho phép khi DE cao.
Các ngõ ra lái A và B là trở kháng cao khi DE
thấp.
Nếu những ngõ ra lái được cho phép thì từng ngõ
có chức năng như làcác đường lái.
Khi chúng là trở kháng cao , chức năng của
chúng như là các đường thu của bộ thu nếu /RE là
thấp.
4 6 DI Ngõ vào bộ lái :
DI thấp thì A thấp và B cao
DI cao thì Acao và B thấp.
5 7 GND Nối mass.
6 8 A Ngõ vào vộ thu và ngõ ra bộ lái đều không đảo.
7 1 B Ngõ vào bộ thu và ngõ ra bộ lái đều đảo.
8 2 Vcc Nguồn cung cấp dương 4.75V
5.25V Vcc
≤≤
• Chức năng của các đường điều khiển :
Trang 22
 Truyền :
Tín hiệu vào Tín hiệu ra
/RE DE DI B A
X 1 1 0 1
X 1 0 1 0
0 0 X High Z High Z
1 0 X High Z High Z
 Nhận
Tín hiệu vào Tín hiệu ra
/RE DE A-B RO

0 0
mV200
≥
1
0 0
mV200
≤
0
0 0 Ngõ vào hở mạch 1
1 0 X
High Z
Sơ đồ mạng half_ duplex RS485:
Sơ đồ mạng RS485 Full_Duplex:
Trang 23
M A X 4 8 5
1
2
3
4
6
7
R O
R E
D E
D I
A
B
M A X 4 8 5
1
2

3
4
6
7
R O
R E
D E
D I
A
B
M A X 4 8 5
1
2
3
4
6
7
R O
R E
D E
D I
A
B
M A X 4 8 5
1
2
3
4
6
7

R O
R E
D E
D I
A
B
R 1
1 2 0
R 2
1 2 0
U 4
M A X 4 8 9
2
3
4
5
1 1
1 2
9
1 0
R O
R E
D E
D I
B
A
Y
Z
U 4
M A X 4 8 9

2
3
4
5
1 1
1 2
9
1 0
R O
R E
D E
D I
B
A
Y
Z
U 4
M A X 4 8 9
2
3
4
5
1 1
1 2
9
1 0
R O
R E
D E
D I

B
A
Y
Z
R 1
1 2 0
R 2
1 2 0
R 3
1 2 0
R 4
1 2 0
U 4
M A X 4 8 9
2
3
4
5
1 1
1 2
9
1 0
R O
R E
D E
D I
B
A
Y
Z

Để tăng chiều dài cáp truyền , ta có thể dùng bộ repeater như sau:
Bộ Repeater hay gọi là bộ tiếp sức , có chức năng làm khuếch đại tín hiệu liên
lạc giữa các máy tính với nhau , khoảng cách truyền thông tin có thể đạt tới 3 km.
Mạng RS-485 em thiết kế trong đề tài này là mạng bán song công (Half-
Duplex): dữ liệu chỉ đi từ Master đến các vi xử lý hay từ các vi xử lý đến Master. Tại
một thời điểm trên mạng chỉ có một phần tử truyền và cho phép các phần tử khác có
thể nhận thông điệp đó. Có điều quan trọng ta nên chú ý là với sơ đồ mạch RS-485
được thiết kế như trên thì chỉ có thể giao tiếp giữa Master (PC) và các vi xử lý nhưng
giữa các vi xử lý không thể liên lạc trực tiếp với nhau. Chúng giao tiếp với nhau nếu
có thể đó thuộc một dạng giao tiếp khác. Cách thức hoạt động của mạng như sau:
Với sơ đồ mạng như trên ta có thể giao tiếp được với 32 slave thông qua một
Master là PC. Đồng thời do mạng truyền dữ liệu trên hai dây xoắn đôi lại nên sẽ đỡ
rắc rối trong quá trình thiết kế cũng như khi nối dây.
Bộ chuyển đổi ( Converter ) từ RRL sang RS-485 thực ra chỉ cần một con IC
75176 cũng đã đảm nhận vai trò này tương đối tốt. IC là 75176 ( hay tương đương
Max-485 ) có hai chân điều khiển hoạt động là DE và /RE. Chân /RE tích cực ( mức
logic 0 ) sẽ cho phép vi xử lý nhận dữ liệu từ Master: chế độ thu dữ liệu. Chân DE
Trang 24
R 2
1 2 0
U 1
M A X 4 9 1
2
3
4
5
1 1
1 2
9
1 0

R O
R E
D E
D I
B
A
Y
Z
R 1
1 2 0
D A T A I N
D A T A O U T
PC
Converter RS-232↔ TTL
RS-232 ↔TTL
Converter
TTL↔ RS-485
Con verter
TTL↔RS-485
Vi xử
lí 1
Vi xử
lí 2
Con verter
TTL↔RS-485
A
B
B B
A
A

tích cực ( mức logic 1) sẽ cho phép mạch phát dữ liệu từ vi xử lý về Master. Dùng
một chân từ các Port của vi xử lý cũng như chân để phát. Thông thường khi lập trình
giao tiếp bằng phần mềm, ta thường dùng chân RTS hay CIS để điều khiển IC 71576.
Ban đầu, chân /RE của75176 sẽ ở mức thấp: chế độ thu 75176 nhận dữ liệu từ
máy tính, thông thường là địa chỉ. Sau đó, nghĩa là khi Master phát địa chỉ xong thì nó
chuyển trạng thái chân /RE xuống mức thấp để cho phép nhận tín hiệu hồi đáp từ các
slave. Các slave sau khi nhận được địa chỉ từ Master nó sẽ so sánh với địa chỉ của nó.
Nếu đúng địa chỉ thì slave sẽ đưa chân DE lên mức một để truyền tín hiệu trả lời về
Master, sau đó thì nó lại đưa chân /RE sang mức 0 để sẵn sàng nhận dữ liệu hay yêu
cầu cũng như lệnh mới từ Master.
Sơ đồ cụ thể như sau:
Hai điện trở 120Ω được nối vào 2 đầu đều xa nhất của mạng. Chiều dài xa nhất
có thể là đầu này và đầu kia là 4000 feet ( 1,2 km ). Còn gọi là điện trở đầu cuối
( Terminal Register ). Dây dẫn là loại xoắn đôi 26 AWG.
Ta có 2 chân điều khiển thu phát dữ liệu, để đơn giản việc điều khiển, ta
thường nối chung 2 tường điều khiển này cùng nhau. Nếu tín hiệu này mức cao thì
một trong hai sẽ ở mức tích cực cũng như một trong hai sẽ ở trạng thái thụ động.
9. Mạch cảm biến nhiệt độ dùng IC LM335.
Nhiệt độ là một tín hiệu dạng tương tự nó hiện hữu theo thời gian và liên tục. Để
dễ dàng đo được những tín hiệu không phải là điện ta thường chuyển nó sang dạng tín
hiệu điện để có thể đo dễ dàng hơn. Có nhiều phương pháp để chuyển từ tín hiệu nhiệt
độ sang tín hiệu điện, tuy nhiên có 2 phương pháp thông dụng nhất thường được sử
dụng như sau:
- Chuyển từ nhiệt độ sang dạng đo điện trở: để đo điện trở thì mạch gia
công cũng như mạch đo đều có. Cho nên ta tìm cách tạo ra một mối quan hệ giữa điện
trở của một vật đến nhiệt độ cần đo. Ta dùng một vật liệu thay đổi nhiệt độ sẽ gây ra
thay đổi điện – còn gọi là nhiệt điện trở. Từ đó ta có thể chuyển từ trở thành áp và
dùng các mạch khuếch đại tương đương đo một cách dễ dàng.
- Chuyển từ nhiệt độ sang trực tiếp điện áp: cách này chỉ có thể dùng các
IC nhiệt mà thôi. Các IC này có đặc tính là áp ra sẽ thay đổi theo nhiệt độ môi trường.

Ta dùng thêm các mạch gia công thích hợp để có thể ghi nhận được sự thay đổi điện
áp hay cũng chính là sự thay đổi đầu vào. Tùy vào hệ số nhiệt của chất liệu cấu thành
Trang 25
M A X 4 8 5
1
2
3
4
6
7
R O
R E
D E
D I
A
B
M A X 4 8 5
1
2
3
4
6
7
R O
R E
D E
D I
A
B
M A X 4 8 5

1
2
3
4
6
7
R O
R E
D E
D I
A
B
M A X 4 8 5
1
2
3
4
6
7
R O
R E
D E
D I
A
B
R 1
1 2 0
R 2
1 2 0