Đồ án môn học thiết kế mạch đếm số lượng người ra vào cửa phòng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.13 MB, 26 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVTKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ LƯỢNGNGƯỜI RA VÀO CỬA PHỊNG

ĐỒ ÁN MƠN HỌC

Ngành: CNKT Điện tử viễn thông

Cán bộ hướng dẫn : Trần Thị Phương Thanh Sinh viên thực hiện : Trần Thị Ngát

Lớp : 69DCDT11

VĨNH PHÚC - 2020MỤC LỤCDanh mục hình ảnh

Lời nói đầu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...11. Giới thiệu đề tài...12. Xây dựng sơ đồ khối của toàn mạch...1

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

3. Nguyên tắc hoặt động của các khối...1

1.2. Khối LED thu - phát hồng ngoại...10

1.3. Khối đếm hiển thị LED 7 thanh...11

1.4. Khối Vi xử lý...12

1.5.Khối nút bấm...13

2. Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của toàn mạch...13

2.1. Sơ đồ nguyên lý của mạch và mạch in...13

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

2.2. Nguyên tắc hoạt động của mạch...15

2.3.Lưu đồ giải thuật của hệ thống...16

TÀI LIỆU THAM KHẢO...17

PHỤ LỤC...18

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Sơ đồ khối của tồn mạch...1

Hình 2: Điện áp sau chỉnh lưu...2

Hình 3: Điện áp sau khi được lọc bằng tụ điện...3

Hình 4: Sơ đồ khối phát...4

Hình 5: Sơ đồ khối thu...5

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

Hình 6: Khối điều chỉnh giá trị LED...6

Hình 7: Cấu tạo LED 7 thanh...6

Hình 8: Led 7 thanh hiển thị từ 0 đến 9...7

Hình 9: Cấu trúc chức năng của PIC 16F877A...7

Hình 10: Sơ đồ chân PIC 16F877A...8

Hình 23: Lưu đồ thuật tốn...17

LỜI NĨI ĐẦU

Cuộc sống quanh ta ngày càng phát triển. Các ứng dụng của khoa học – kỹ thuật ngày càng được áp dụng nhiều hơn vào thực tiễn nhằm phục vụ nhu cầu cuộc sống. Đa số các ứng dụng công nghệ đều liên quan đến lĩnh vực điện tử và tự động hóa. Điều đó cho thấy sự phát triển của lĩnh vực điện tử và tự động hóa là khơng giới hạn.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Do đó, việc nghiên cứu các ứng dụng vào thực tiễn là hết sức đúng đắn và cấp thiết trong thời gian gần đây.

Nhận thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của mạch đếm số lượt người ra vào cửa.

Em đã nghiên cứu và thiết kế dưới sự hướng dẫn của cô: Trần Thị Phương Thanh,

giảng viên khoa điện–điện tử. Vì kiến thức, kinh nghiệm của em cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh được sai sót. Chúng em rất mong sự đánh giá của quý thầy cô và bạn bè, để đồ án được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn !

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

KHỐI HIỂN THỊ LED

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT1. Giới thiệu về đề tài

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, mang lại sự tiện lợi tối ưu với những trang thiết bị hiện đại phục vụ cơng cuộc cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước. Góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước. Trong đó sự tích hợp các mạch điện – điện tử ngày càng trở nên thiết yếu khi mà công nghệ ngày càng phát triển hơn tiến tới thời đại của vi xứ lý vi mạch những mạch cồng kềnh chiếm nhiều diện tích đã bị loại bỏ dần thay vào dó là các mạc siêu nhỏ gọn gàng hơn đang đươc ưa chuộng.

Trong đó có ngành “Kĩ thuật số” có vai trị rất quan trọng và việc áp dụng điều khiển bằng số trong công nghệ hiện đại. Kĩ thuật số ra đời đã và đang làm nên một cuộc cách mạng trong mọi lĩnh vực của đời sống hiện đại từ chiếc nồi cơm điện, máy giặt, máy điện thoại… đến truyền hình, chụp ảnh, cơng nghệ thơng tin,… Những ứng dụng của nó trong sản xuất của các công ty lớn nhỏ là không thể kể hết.

Đối với các nơi có nhiều dịch vụ tiện ích cho con người như các siêu thị, cửa phòng, cổng trường...cần quản lý số lượng người ra vào để biết được tình hình. Vậy nên em quyết định thiết kế một mạch đếm người vì nó rất phù hợp với thực tế và nó thật sự rất có ý nghĩa đối với em vì đã làm được một phần nhỏ đóng góp cho xã hội.

2. Xây dựng sơ đồ khối của tồn mạch

Hình 1 : Sơ đồ khối của toàn mạch

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

3. Nguyên tắc hoạt động của các khối

3.1. Khối nguồn

Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch ở đây ta dùng nguồn một chiều một vài trăm ôm để tránh cháy đèn led hoặc ta cung cấp nguồn 3,5V thì ta đưa điện áp trực tiếp vào led. Nguồn ta dùng ở đây ta cần độ ổn định cao để mạch đếm chạy một cách chính xác, nếu ta dùng nguồn khơng ổn định ví dụ như pin thì hoạt động bị gián đoạn.

Bộ 5V và 3V- 4.5V cho súng laser, khi ta đưa vào led 7 thanh ta phải đưa qua điện trở nhỏ khoảng 1 kΩ.

Mạch yêu cầu dùng dòng 1 chiều, điện áp 5V nên khối nguồn này ta dùng máy biến áp, cầu chỉnh lưu, và IC7805 có tác dụng ổn định điện áp ra 5V.

3.1.1. Khối hạ áp

Ở đây chúng ta biến đổi điện áp lưới 220VAC-50Hz xuống cịn 24VAC - 3A.

Mục đích là cấp đầy vào cho bộ biến đổi và bộ lọc để có điện áp một chiều mong muốn.

3.1.2. Khối chỉnh lưu

Thành phần chỉnh lưu là biến đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu 1 chiều thông qua 4 con diode chỉnh lưu. Đây là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với dạng sóng đầu vào và đầu ra sau chỉnh lưu như sau:

Hình 2 : Điện áp sau chỉnh lưu.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Dạng điện áp sau chỉnh lưu nó vẫn cịn các sóng vẫn cao và dạng điện áp này vẫn được coi là điện áp 1 chiều nhưng chưa ổn định.

3.1.3. Khối lọc

Có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều đập mạch U3 thành điện áp một chiều U4 ít cao hơn. Tụ có điện dung càng lớn thì điện áp ở đầu ra càng bằng phẳng.

Hình 3 : Điện áp sau khi được lọc bằng tụ điện.

3.1.4. Khối ổn áp

- Dòng họ 78xx cho ra nhiều loại ổn áp điện khác nhau: như 7805 ổn áp 5V. - Điện áp đầu vào của họ 78xx là điện áp 1 chiều và max <=40V.

- Dịng điện khơng vượt q 1A. - Dịng đỉnh là 2,2 A.

- Cơng suất tiêu tán cực đại có tản nhiệt là 15W.

- Đảm bảo thông số là : VI−VO = 2V đến 3V ( lúc đó mạch mới hoạt động ổn áp được).

- Tản nhiệt tốt cho 78xx. Khi hoạt động với tải thì 78xx rất nóng. Đối với cấp điện áp là 29V thì 78xx nóng khi có tải và chú ý tản nhiệt tốt cho nó. Để nóng quá sinh ra phá 78xx.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

3.2. Khối Led thu – phát hồng ngoại

3.2.1. Nguyên tắc phát

Sơ đồ khối:

Hình 4: Sơ đồ khối phát

- Khối chọn chức năng và khối mã hóa : Khi người sử dụng bấm vào các phím chức năng để phát lệnh u cầu của mình , mỗi phím chức năng tương ứng với một số thập phân . Mạch mã hóa sẽ chuyển đổi thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh tín hiệu số gồm các bít 0 và 1 . Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là 4 bit hay 8 bit … tùy theo số lượng các phím chức năng nhiều hay ít.

- Khối dao động có điều kiện: Khi nhấn 1 phím chức năng thì dồng thời khởi động mạch dao động tạo xung đồng hồ , tần số xung đồng hồ xác định thời gian chuẩn của mỗi bit.

- Khối chốt dữ liệu và khối chuyển đổi song song ra nối tiếp: Mã nhị phân tại mạch mã hóa sẽ được chốt để đưa vào mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp. Mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp được điều khiển bởi xung đồng hồ và mạch định thời nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúc việc chuyển đổi đủ số bit của một mã lệnh.

- Khối điều chế và phát FM : mã lệnh dưới dạng nối tiếp sẽ được đưa qua mạch điều chế và phát FM để ghép mã lệnh vào sóng mang có tần số 38Khz đến 100Khz, nhờ sóng mang cao tần tín hiệu được truyền đi xa hơn , nghĩa là tăng cự ly phát.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

- Khối thiết bị phát : là một LED hồng ngoại . Khi mã lệnh có giá trị bit =’1’ thì LED phát hồng ngoại trong khoảng thời gian T của bit đó . Khi mã lệnh có giá trị bit=’0’ thì LED khơng sáng . Do đó bên thu khơng nhận được tín hiệu xem như bit = ‘0’.

3.2.2. Nguyên tắc thu

Sơ đồ khối:

Hình 5 : Sơ đồ khối thu

-

Khối thiết bị thu : Tia hồng ngoại từ phần phát được tiếp nhận bởi LED thu hồng ngoại hay các linh kiện quang khác.

-

Khối khuếch đại và Tách sóng : trước tiên khuếch đại tính hiệu nhận rồi đưa qua mạch tách sóng nhằm triệt tiêu sóng mang và tách lấy dữ liệu cần thiết là mã lệnh.

-

Khối chuyển đổi nối tiếp sang song song và Khối giải mã : mã lệnh được đưa vào mạch chuyển đổi nối tiếp sang song song và đưa tiếp qua khối giải mã ra thành số thập phân tương ứng dưới dạng một xung kích tại ngõ ra tương ứng để kích mở mạch điều khiển.

-

Tần số sóng mang còn được dùng để so pha với tần số dao động bên phần thu giúp cho mạch thu phát hoạt động đồng bộ, đảm bảo cho mạch tách sóng và mạch chuyển đổi nối tiếp sang song song hoạt động chính x.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 6 : Khối điều chỉnh giá trị LED

Sử dụng các nút nhấn một tiếp điểm để tạo mức thay đổi logic giúp vi điều khiển có thể hiểu đươc khi ta tác động nhấn nút. Các điện trở là các điện trở kéo lên để xác định mức cao khi không nhấn nút. Các nút nhấn khi được nhấn sẽ kéo dẫn điện xuống mức 0.

3.4. Khối hiển thị LED 7 thanh

Đèn chỉ thị 7 đoạn gồm 7 diode phát quang (LED: Light Emission Diode) hay 7 chỉ thị tinh thể lỏng (LCD: Liquid Crystal Display).Mỗi bit được thể hiện bằng một đoạn ánh sáng a, hoặc b, hoặc c... đến g.

Có hai loại chỉ thị 7 đoạn: Anot chung và Katot chung. Nhờ 7 đoạn sáng này ta có được 10 số thập phân từ 0 đến 9.

Hình 7 : Cấu tạo LED 7 thanh

Tùy vào chữ số thập phân nào được hiển thị mà một bộ đèn led cụ thể sẽ được phân cực thuận. Ví dụ để hiển thị chữ số 0, cần phải chiếu sáng 6 đoạn tương ứng là

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

a, b, c, d, e và f. Như vậy các số từ 0 đến 9 có thể hiển thị bằng 1 led 7 đoạn như hình dưới đây:

Hình 8: Led7 thanh hiển thị từ 0 đến 9

3.5. Khối Vi xử lý

PIC 16F877A 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường). Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau:

Hình 9: Cấu trúc chức năng của PIC 16F877A

8 K Flash ROM. • 368 Bytes RAM. • 256 Bytes EEPROM.

• 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập. • 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer2).

• Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngồi. • 2 bơ CCP (Capture / Compare/PWM).

• 1 bộ biến đổi ADC 10 bits, 8kênh.

• 2 bộ so s1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer). • Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển. • Một cổng nối tiếp.

• 15 nguồn ngắt.

• Có chế độ tiết kiệm năng lượng.

• Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming). • Được chế tạo bằng công nghệ CMOS.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

- Chân 1: ngõ vào reset tích cực ở mức thấp và ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC.

- Chân 3: xuất/nhập số và ngõ vào tương tự của kênh.

- Chân 4: xuất nhập/ngõ vào tương tự của kênh, điện áp chuẩn thấp và cao của bộ AD. - Chân 5: xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh, điện áp chuẩn (cao) của bộ AD.

- Chân 6: xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0, ngõ ra bộ so sánh - Chân 7: xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.

- Chân 33: xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngồi.

- Chân 36: xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP. - Chân 35, 37, 38: xuất nhập số.

- Chân 39: xuất nhấp số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP. - Chân 40: xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP.

- Chân 15: xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer1/ ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1.

- Chân 16: xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2.

- Chân 17: xuất nhập số/ ngõ vào Capture1 ,ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1.

- Chân 18: xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C.

- Chân 23: xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu I2C. - Chân 24: xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI.

- Chân 25: xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ USART. - Chân 26: xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART.

- Chân 19-30: xuất nhập số/ dữ liệu port song song.

- Chân 8 : xuất nhập số/điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự 5.

- Chân 9: xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 6. - Chân 10: xuất nhấp số/ Chân chọn lụa điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 7.

- Chân VDD(11,32) và VSS(12,31): là các chân nguồn của PIC.

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Chương 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ LƯỢNG NGƯỜI

Yêu cầu đề bài điện áp ra ổn định tối đa là 12VDC, mà điện áp đầu vào 220VAC nên ta có thể sử dụng máy biến áp: 24VAC-3A hoặc 220VAC-12VAC-1A....

- Cầu chỉnh lưu:

Các IC ổn áp trong mạch nguồn này có IRa tối đa là 1A nên lựa chọn diode 1N4007 hoặc 1N4004 vì IThuận của diode này không được lớn hơn 1A. Trong mạch ta sử dụng diode 1N4007.

Hình 13: Diode 1N4007

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

- Tụ lọc:

Dùng tụ hóa lớn tích điện, tụ sẽ nạp khi xung áp chỉnh lưu đi lên và xả cho tải khi xung áp đi xuống. Ngoài ra, dùng tụ hóa lớn sẽ làm giảm độn gợn sóng của nguồn, nâng cao mức nguồn DC lên gần bằng mức volt cực đại của tín hiệu sin.

Tụ C6, C7 trong hình 12 có tác dụng lọc nguồn cấp vào để tăng tính ổn định cho nguồn và cho mạch. IC 7805 (U5) làm nhiệm vụ ổn áp cho ra nguồn điện ổn định 5V với dòng tối đa là 1A. Nguồn 5V này sẽ được lọc lại một lần nữa bằng tụ C5, C4 và được cấp cho toàn bộ mạch hoạt động.

- IC ổn áp:

Hình 14: IC ổn áp LM7805

Có hai loại linh kiện ổn áp học 78xx và 79xx:

• Họ 78xx là ổn địng điện áp đầu ra là dương, xx là giá trị điện áp đầu ra ví dụ như 5V, 8V…

• Họ 79xx là họ ổn định điện áp đầu ra là âm, xx là giá trị điện áp đầu ra. Đồ án cần điện áp 5V nên ta sử dụng IC 7805.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

1.2. Khối Led thu – phát hồng ngoại

Hình 15: Bộ thu phát hồng ngoại

Led phát-thu có hai loại: 2 chân và 3 chân. Trong đồ án này ta sử dụng loại 2 chân vì giá thành rẻ mà vẫn hiệu quả. Led phát màu trắng, led thu màu đen.

Mạch thiết kế là một biến trở nút, dùng để điều chỉnh giá trị trở kéo lên của LED thu. Tức là nếu chỉnh biến trở nút thì sẽ thay đổi dòng dẫn của LED thu, chỉnh nhỏ lại thì dịng dẫn LED thu cần phải tăng lên ( đòi hỏi phải được chiếu sáng một tia hồng ngoại có cường độ lớn hơn thì mới đạt đến ngưỡng thay đổi trạng thái). Tác dụng của việc làm này là có thể giảm nhiễu từ ánh sáng bên ngồi có thể tác động tới, tuy nhiên độ nhạy cũng sẽ bị giảm theo và nếu chỉnh nó nhỏ quá thì dịng dẫn max của LED thu khơng đủ để thay đổi trạng thái được, còn ngược lại nếu chỉnh cao lên thì nó sẽ dễ kích hoạt nhưng làm tăng nhiễu (nhiễu có thể từ ánh sáng bên ngồi ). Cho nên thiết kế là một biến trở để thay đổi được tùy vào môi trường lắp đặt cụ thể.

1.3. Khối hiển thị LED 7 thanh

Led 7 thanh là linh kiện điện tử dùng để hiển thị số. Ưu điểm của led 7 thanh là giá thành rẻ, khoảng cách quan sát xa và dễ dàng trong lập trình. Nhược điểm là led 7 thanh chỉ hiển thị được 1 số kí tự nhất định.

Led 7 thanh bao gồm 7 thanh a,b,c,d,e,f,g và 1 “thanh” dp, mỗi thanh là một led. Tùy vào cách nối chung anot hay catot giữa các thanh mà ta có 2 loại anot chung hoặc catot chung.

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Hình 16: LED 7 thanh

1.4. Khối vi xử lý

Khối vi xử lý có chức năng điều khiển hoạt động của thiết bị. Bao gồm vi điều khiển PIC 16F877A, các nút bấm, khối dao động thạch anh, LED 7 thanh… Vi điều khiển đọc trạng thái từ cảm biến để LED 7 thanh hiển thị số. Nút bấm có chức năng đưa LED 7 thanh về trạng thái ban đầu. Khối dao động thạch anh có chức năng tạo các xung nhịp để mạch hoạt động.

Ngoài ra, với thạch anh giao động 20M để tạo xung nhịp cho PIC, để tốc độ xử lý lệnh càng nhanh thì ta dùng thạch anh càng lớn. Tuy nhiên thạch anh không lớn quá giới hạn của chip được sản xuất. Ở đây ta dùng PIC16F877A thì theo datasheet từ nhà sản xuất thạch anh khơng được lớn hơn 20M, nếu dùng thạch anh lớn hơn chip sẽ không hoạt động. Ngược lại nếu dùng thạch anh quá nhỏ thì tốc độ xử lý lệnh của chip sẽ rất thấp và chậm. Với thạch anh 20M thì chu lỳ xung nhịp là 0,2μs thì có thể thực hiện một lệnh (ASM) trong vịng 0,2μs.

Hình 17: Thạch anh 20M

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

1.5. Khối nút bấm

Nút bấm BT1 là nút bấm reset chip, tụ C3 0,1μF làm tụ reset tự động cho vi xử lý khi mới cấp nguồn. R1 10k là điện trở kéo cho chân reset.

Nút bấm BT2, BT3, BT4 khi được nhấn sẽ kéo dẫn điện áp xuống mức 0, các điện trở R21, R17, R16 là các điện trở kéo lên để xác định mức cao khi không nhấn

</div>