bản thiết kế chi tiết đề tài mạch điều khiển thiết bị trong nhà

1

BẢN THIẾT KẾ CHI TIẾT ĐỀ TÀI
“Mạch điều khiển thiết bị trong nhà”



Nhóm 20 giảng đường TC 2051

Nguyễn Văn Huỳnh 20111645 (Nhóm trưởng)
Hoàng Đình Đại 20111356
Nguyễn Văn Mạnh 20111835
Lê Thị Quyên 20112717
Mai Văn Trường 20112358











2

Mục lục Trang

Mô tả đề tài

Yêu cầu chức năng………………………………………………….3




Yêu cầu phi chức năng…………………………………………… 3




Thiết kế hệ thống……………………………………………………4




Kế hoạch đề tài………………………………………………………19


3


I- Mô tả đề tài
Như chúng ta đã thấy ngày nay kỹ thuật Điện tử ngày một phát triển và
đang góp phần làm cho cuộc sống con người ngày một hiện đại,tân tiến.
Việc điều khiển các thiết bị gia đình,tự động bật tắt các thiết bị để tiết
kiệm điện,chống trộm đột nhập đang trở thành nhu cầu bức thiết trong xã
hội.

Mạch điều khiển thiết bị trong nhà ra đời để đáp ứng những nhu cầu đó.

II- Yêu cầu chức năng
Mạch làm ra sẽ có các yêu cầu chức năng sau:
 Đăng nhập password để vào nhà cũng như lấy quyền điều khiển toàn
bộ tòa nhà qua hệ thống keypad và màn hình hiển thị LCD
 Báo hiệu bằng âm thanh khi nhập sai password 2 lần
 Có thể chỉnh sửa và thay đổi password thông qua hệ thống giao diện,chỉ
dẫn người dung hiển thị trên LCD
 Khi không đăng nhập thì LCD hiển thị ngày giờ,tháng năm hiện tại
 Hiển thị nhiệt độ hiện tại trên LED 7 thanh
 Điều khiển bật tắt đèn dựa vào độ sáng của ánh sáng trong phòng,khi
phòng có nhiều ánh sang thì tự động tắt đèn để tiết kiệm điện.
 Hẹn giờ tắt đèn trong phòng theo thời gian người dùng cài đặt.
III- Yêu cầu phi chức năng
Mạch làm ra có các yêu cầu phi chức năng sau:
 Mạch sử dụng PIC 16F887A làm khối điều khiển chính,do PIC 16F877A
là Pic khá phổ biến,có nhiều tài liệu liên quan,cộng đồng hỗ trợ nhiều.
 Sử dụng keypad dán để nhập password,giúp người sử dụng dễ nhàng
nhập liệu.
 Sử dụng loa để phát ra tín hiệu thông báo,loa có công suất đủ để có thể
nghe tiếng báo động.
 Có mạch cảm biến nhiệt độ trong phòng để hiển thị trên LED 7 thanh,sử
dụng cảm biến nhiệt LM35 là cảm biến phổ biến,giá thành rẻ
 Có module cảm biến ánh sáng để xác định độ sáng trong phòng
 Code của toàn bộ project được viết trên C và ASM đảm bảo yêu cầu
chức năng đã nêu,code phải ít delay,chạy ổn định.
 PCB có tên nhóm và các thành viên
 Mạch thiết kế ra nhỏ gọn,đơn giản,dễ sử dụng .
4

 Mạch thiết kế phải có giá thành rẻ,hình thức đẹp,hoạt động ổn định,lâu dài
IV- Thiết kế hệ thống

Khối xử lý trung tâm
PIC 16F877A
Khối hiển thị
Khối cảm biến
nhiệt
Khối phát tín
hiệu cảnh báo
(chuông,đèn)
Khối cảm biến
ánh sáng
Khối nguồn




1- Khối xử lý trung tâm
5

Khối xử lý trung tâm sử dụng PIC 16F877A là PIC rất thông dụng hiện
nay. PIC 16F877A là loại vi điều khiển 8bit tầm trung của hãng
microchip, có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC (Reduced
Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản. Tất cả các lệnh được
thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh.
Cấu tạo 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 Timer 2).
- Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết
kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài.
- 2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM).
- 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào.
- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor).
- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog 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
- 35 tập lệnh có độ dài 14 bits.
- Tần số hoạt động tối đa 20MHz.






Sơ đồ chân:

6

7


Các chức năng cơ bản của PIC 16F877A


( Nguồn :Internet)


2- Khối hiển thị
Khối hiển thị bao gồm LCD và LED
a. LED hiển thị nhiệt độ
Sử dụng 2 LED 7 đoạn: LED 7 đoạn hay LED 7 thanh (Seven Segment
display) là 1 linh kiện rất phổ dụng , được dùng như là 1 công cụ hiển
thị đơn giản nhất,có góc nhìn rộng,dễ gây sự chú ý

8



LED 7 thanh có 2 loại
+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau .)
+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau .

Trong mạch ta sẽ dùng loại chung Anode.


9

b. LCD hiển thị thông tin ngày tháng năm,giao diện đăng nhập
LCD là linh kiện hiển thị khá phổ biến hiện nay,có rất nhiều loại LCD
như Text LCD 16x2, 20x2 hoặc GLCD 128x64 v.v.
Trong mạch ta sử dụng LCD 16x2 để hiện thị thông tin đăng nhập và
ngày tháng năm.



Trong LCD thường tích hợp vi điều khiển (thường là HD44780).
Các chân của LCD:

Chân
Ký hiệu
Mô tả
1
VSS
Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND
của mạch điều khiển
2
VDD
Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
VCC=5V của mạch điều khiển
3
VEE
Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

4
RS
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0”
(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD
(ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở
chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên
trong LCD.

5
RW
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic
“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD
ở chế độ đọc.
6
EN
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus
DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép
của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận)
thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low
transition) của tín hiệu chân E.
10

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát
hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở
bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

7-14

D0-D7
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có
2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB
là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7,
bit MSB là DB7

15
A
Nguồn dương cho đèn nền
16
K
GND cho đèn nền

LCD sẽ được kết nối với PIC,nhận tín hiệu từ PIC để hiển thị giao diện
đăng nhập,thông tin ngày giờ khi không đăng nhập



3- Khối cảm biến nhiệt
 Lựa chọn linh kiện:
11

Để đo nhiệt độ thì có thể chọn nhiều loại cảm biến khác nhau,mỗi loại có một
ưu điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu riêng.ở đây yêu cầu bài tập là đo nhiệt độ
môi trường bình thường nên sử dụng LM35 là tối ưu nhất vì đây là loại cảm biến có
độ chính xác cao,tầm hoạt động tuyến tính từ 0 đến 128 độ C,tiêu tán công suất thấp
 Chức năng :khối cảm biến nhiệt có chức năng thu nhận tín hiệu tương
tự(nhiệt độ môi trường)rồi gửi đến khối chuyển đổi ADC dưới dạng điện

Dưới đây là hình ảnh cảm biến LM35 DZ:




12





- LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog, nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu
điện thế ngõ ra của LM35:
+ Đơn vị nhiệt độ: °C.
13

+ Có mức điện áp thay đổi trực tiếp theo độ C (10mV/*C).
+ Có hiệu năng cao, công suất tiêu thụ là 60uA
+ Sản phẩm không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử dụng.
+ Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới
150°C.
+ Chân +Vs là chân cung cấp điện áp cho LM35DZ hoạt động (4—20V).
+ Chân Vout là chân điện áp ngõ ra của LM35DZ, được đưa vào chân Analog của
các bộ ADC.
+ Chân GND là chân nối mass,lưu ý cần nối mass chân này để tránh là cảm biến
cũng như làm giảm sai số trong quá trình đo.


 Quy trình đo nhiệt độ:

 Quá trình đo nhiệt độ:
nhiệt độ môi trường là tín hiệu tương tự thông qua khối cảm biến thu nhận tín
hiệu và chuyển thành tín hiệu điện tương tự gửi đến ADC.Qua khối ADC tín
hiệu chuyển đổi thành tín hiệu số truyền đến khối vi điều khiển xử lý và truyền
ra khối hiển thị
 yêu cầu và giới hạn trong thực tế:
 yêu cầu:
 Đo và hiển thị nhiệt độ trong khoảng từ 0 đến 99 độ C
 Chịu được nhiệt độ thay đổi
 Hiển thị trên led 7 thanh
 Chi phí với giá hợp lý
 giới hạn:

 sử dụng nguồn điện 220v
 kích thước phù hợp với người sử dụng
 khối bê được bằng tay

Đối
tượng
Cần
đo
Cảm
Biến
ADC
Xử
lý
Hiển

thị
14


4- Khối cảm biến ánh sáng
Khối cảm biến ánh sáng:
 Chức năng: khối này là 1 module cảm biến ánh sáng để xác định độ sáng
trong phòng, đưa tín hiệu đến PIC để xử lý.
 Linh kiện dùng trong mạch:
- 2 tụ 0.01µF
- 1 tụ 1µF
- 2 điện trở 56kΩ
- 1 tụ 10kΩ
- 1 tụ 3.3kΩ
- 1 quang trở
- 1 BJT 2N3906
- 1 IC NE55
- 1 pin 9V và đầu nối pin
- 1 Led
- 1 biến trở 100kΩ
- 1 khóa
- Dậy điện.
 Sơ đồ nguyên lý:

- Mạch chỉ sử dụng 1 con IC NE555 để tạo dao động đưa tín hiệu đến PIC
để xử lý và 1 con LDR cảm biến ánh sáng.
- NE555 ở đây dùng để tạo dao động xung vuông.
15

- Các quang trở (LDR) giữ chức năng cảm nhận ánh sáng trong phòng.

Điện trở của các quang trở này rất lớn khi trời tối và thay đổi khá nhanh,
rất nhỏ khi trời sáng.
- Bộ phận chính của mạch là IC NE555, có chức năng 1 bộ tạo dao động
(tạo xung vuông). IC này hoạt động khi nhận được xung kích vào chân 2
của nó. Mỗi lần kích thì đầu ra ở chân số 3 sẽ ở mức cao và sẽ trở lại giá
trị ban đầu nếu ta kích trở lại ở chân số 2 của IC.
- Khi trời tối thì điện trở của LDR khoảng 280KΩ, điện trở của LDR tăng
do cường độ sáng giảm. LDR đóng vai trò phân áp cho chân số 2. Khi
LDR tăng đến 1 giá trị nào đó thì IC hoạt động, tạo dao động, đầu ra số 3
của IC sẽ chuyển lên mức điện áp cao, đèn LED sáng và truyền tín hiệu
ra PIC để xử lý.
- Khi LDR được chiếu sáng bằng ánh sáng trong phòng thì điện trở của nó
sẽ giảm xuống rất thấp, nó giữ bộ phát xung ở mức điện áp dương. Kết
quả là đầu ra số 3 của IC sẽ ở mức thấp và LED tắt.
- Bằng cách thay đổi giá trị của tụ C2 thì ta có thể xác định thời gian mở
của đèn LED
- Biến trở 100KΩ dùng để điều chỉnh mức cường độ sáng cảnh báo.

 Thông số cơ bản của IC555:
- Điện áp đầu vào: 2 ÷ 18V (tùy từng loại 555)
- Dòng điện cung cấp: 6 ÷ 15 mA
- Điện áp logic ở mức cao: 0.5 ÷ 15V
- Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 ÷ 0.06V
- Công suất lớn nhất: 600mW
 Sơ đồ chân của IC 555

16

- Chân số 1 (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi
là chân chung.

- Chân số 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và
được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của tần số áp. Mạch so sánh ở
đây dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3V
cc.

- Chân số 3 (OUTPUT): chân này dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái
của tín hiệu ra được xác định ở mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương
ứng với gần bằng V
cc
( nếu PWM = 100%) và mức 0 tương đương với
0V nhưng thức tế nó không phải là 0V mà vào khoảng 0.35V ÷ 0.75V.
- Chân số 4 (RESET): dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối
mass thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng
thái ngõ ra tùy theo ức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo
được dao động thường nối chân này lên V
cc
.
- Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn
trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối
chân GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm
nhiễu người ta thường nối chân số 5 với GND thông qua tụ điện từ
0.01µF đến 0.1µF. Các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được
ổn định.
- Chân số 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh
điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
- Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và
chịu điều khiển của tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì
khóa này đóng lại. Ngược lại nó mở ra. Chân 7 tự nạp cả điện cho 1 mạch
R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động.
- Chân số 8 (Vcc): chân này dùng để cung cấp áp và dòng cho IC hoạt

động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp khoảng
từ 2 ÷ 18V. Tùy từng loại 555 mà nó có V
cc
khác nhau. Thấp nhất là
NE555.

5- Khối nguồn
17


Nguồn đưa vào là nguồn xoay chiều được đưa qua biến áp sau đó qua cầu
chỉnh lưu đưa vào chân IN của IC7805 để lấy ra nguồn 5V cung cấp cho
PIC 16F877A.




Chân out của IC 7805 luôn có điện áp ổn định là 5V,dù điện áp từ nguồn
cung cấp thay đổi
Tụ hóa C1 lớn dùng làm kho chứa điện
C2,C3 tụ lọc nhiễu tần cao
R1là điện trở hạn dòng .

6- Khối phát tín hiệu cảnh báo
 Chức năng

Phát ra tín hiệu cảnh báo như đèn , chuông để cho người dùng biết được có
sự cố.
Nhận lệnh từ vi điều khiển rồi bật đèn hoặc bật chuông báo hiệu.

18

 Nguyên lý

Từ khối cảm biến , mảng đăng nhập truyền thông tin ( báo quá nhiệt đọ khi
cháy, báo đăng nhập sai ) vào vi điều khiển.
Khối này nhận xung từ vi điều khiển. Tín hiệu từ chân ra của vi điều khiển
sẽ đc khuếch đại dòng qua tranzitor C1815 và loa sẽ đảm bảo đủ để hoạt
động.





Linh kiện
- Vi điều khiển PIC 16F877A.
- Tụ C1815.
- Điện trở.
- Loa, trazitor, led.

Ứng dụng
- Ứng dụng vào thông báo cho người dung khi đăng nhập sai và đăng nhập
sai quá số lần quy định
- Có thể sử dụng để cảnh báo cháy nhờ khối cảm biến (cảm biến nhiệt độ)
19

Khi nhiệt độ cao vượt mức cho phép thì vi điều khiển phát lệnh cho loa và
đèn để báo hiệu.
- Chống trộm sử dụng quang trở và laze.

V- Kế hoạch đề tài
File Specification_Group20.mpp