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

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

MỤC LỤC

PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Chương I: Tổng quan về đề tài và phương án thiết kế thi công.............1
I.
Yêu cầu của đề tài..................................................................1
II.
Hướng thực hiện đề tài...........................................................2
III. Vấn đề kết nối mạng..............................................................3
Chương II: Sơ lược cảm biến báo cháy...................................................5
I. Chuyển đổi nhiệt điện...................................................................5
1. Chuyển đổi cặp nhiệt điện.............................................6
2. Các loại cảm biến nhiệt.................................................7
II. Mạch phát hiện khói ( dùng cảm biến quang hay cảm
biến ion )......................................................................................8
1. Mạch phát hiện khói dùng phương pháp quang
( cảm biến quang)............................................................8
2. Mạch phát hiện khói dùng nguyên lý ion (cảm
biến ion).........................................................................9
A.

III. Mạch phát hiện cháy

10

1. Tế bào quang điện...........................................................10
2. Quang điện trở.................................................................10

3. Photo diode......................................................................10
B.

IV. Đo nhiệt độ bằng thạch anh

11

1. Cộng hưởng cơ của thạch anh............................................11
2. Độ nhạy nhiệt....................................................................13
3. Cách thực hiện nhiệt kế và đo...........................................13
PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHÀ
CAO TẦNG DÙNG VI XỬ LÝ 89C51
A. Thiết kế phần cứng............................................................................15
I.
Tổng quan về đề tài................................................................15
1. Sơ lược về đề tài................................................................15
2. Các khối chức năng...........................................................17
II.
Thiết kế phần cứng.................................................................17
1. Cảm biến quang................................................................7
2. Mạch mô phỏng cảm biến quang phát hiện người............19
3. Mạch động lực đóng cắt thiết bò........................................20
4. Mạch nguồn cung cấp.......................................................21
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

5. Mạch hiển thò nhiệt độ bằng LED 7 đoạn.......................22
6. Công tắc đóng ngắt thiết bò theo yêu cầu..........................23
7. Mạch chuông.....................................................................23
8. Mạch giao tiếp máy tính qua mạng RS-485......................24
9. Mạch cảm biến đo nhiệt độ dùng IC LM335....................28
10. Thiết kế mạch 89C51 trên sơ đồ các chân và chức
năng của chúng.................................................................32
10.1. Giới thiệu vi xử lý 89C51..............................................32
10.2. Tổ chức và sử dụng các chân ra của 89C51...................37
B. Lưu đồ giải thuật.......................................................................40
C. Chương trình vi xử ly...................................................................ù61
D. Giới thiệu các IC dùng trong đề tài.............................................72
PHẦN III: GIAO TÍÊP MÁY TÍNH VỚI VI XỬ LÝ
Chương I: Sơ lược về mạng máy tính và giao thức truyền......................77
A. Tổng quan về mạng máy tính......................................................77
I.
Các yếu tố của mạng máy tính...............................................77
II.
Phân loại mạng máy tính........................................................78
III. Đường truyền vá các thiết bò dùng trong mạng máy tính78
B. Giao tiếp nối tiếp.........................................................................81
I.
Đặc điểm các chuẩn RS-232, RS-422, RS-485.......................82
1. RS-232...............................................................................82
2. RS-422...............................................................................83
3. RS-485...............................................................................83
II.
Các phương thức truyền thông................................................83

III. Truyền thông tuần tư..............................................................84
Chương II: Giao tiếp máy tính với vi xử ly
A. Điều khiển thu phát dữ liệu thông qua cổng Com.............................86
I.
Cổng RS-232..........................................................................86
II.
Chip thu phát bất đồng bộ-Vi mạch UART (Universal Asynchronous
Receiver) 8250A/16450..........................................................88
III. Truyền nhận dữ liệu qua cổng nối tiếp...................................89
a. Chương III: chương trình truyền thông bằng ngôn ngữ visual basic
6.0
I.
II.
III.

Tổng quan về Visual Basic.....................................................90
Truyền thông nối tiếp dùng visual basic.................................92
Phần giao diện........................................................................101
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 bò 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 bò 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 bò 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 dòch
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 bò 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 bò” không chỉ đề cập đến các dụng cụ
trong nhà bếp, thiết bò video/audio, các hệ thống có thể dòch chuyển , các thiết bò
chiếu sáng, thiết bò 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
dòch 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:
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 3


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

 Vai trò của các thiết bò trong nhà thông minh: hầu hết các thiết bò
trong nhà đều có vỏ bằng nhựa hay kim loại. Một vài thiết bò vận hành độc lập với
các thiết bò khác. Tuy nhiên cũng có những dụng cụ cần có một thiết bò khác điều
khiển nó. Các thiết bò trong ngôi nhà thông minh đều có thể truyền dữ liệu. Ta sẽ
nhóm các thiết bò này lại chung một nhóm. Ví dụ: hệ thống an ninh, hệ thống
Audio/Video. Trong tương lai các hệ thống này có thể cho phép máy giặt hay máy
rửa chén yêu cầu bộ phận nung nóng nước, chuẩn bò nước nóng khi chúng cần đến.
 Sự hợp nhất các chuẩn truyền thông: các thiết bò 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 bò 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 trò 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 bò.
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 lí
I
3
TXD
Max
75176
7
RTS
232
PC
2
RXD
Kit vi xử lí
II
Sơ đồ khối mạch kết nối giữa máy tính và các kit vi xử lí

SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

Kit vi xử lý em thiết kế có những chức năng sau:
• Đo nhiệt độ hiện tại trong phòng hiển thò 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 bò mà vi xử lý có thể điều khiển. Nếu số người trong phòng lớn hơn
hay bằng 1 thì vi xử lý sẽ gởi một tín hiệu đến mạch động lực kích đóng các thiết
bò 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 bò 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 bò đó đang đóng hay mở.
Khi người dùng nhấn nút tương ứng thì tùy vào trạng thái của thiết bò mà vi xử lý
sẽ kích đóng hay ngắt thiết bò 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 oC 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 ( 15oC chẳng hạn ). Nếu nhiệt độ đo được bé hơn 15 oC 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 oC.
• Mạch cảm biến quang dùng để phát hiện trộm đặt ở những thiết bò 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 bò trong phòng
theo phương pháp thông thường sẽ không kinh tế và tiết kiệm. Ta cần phải làm sao
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

để tiết kiệm cho được càng nhiều càng tốt. Cho nên để tránh lãng phí ta nên điều
khiển các thiết bò bằng máy tính. Chỉ cần một nhân viên cũng có thể tắt hay mở
thiết bò trong từng phòng. Nếu ta tắt các thiết bò bằng tay thì sẽ không kinh tế, khi
khách ra khỏi phòng mà quên tắt các thiết bò 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 bò thông qua vi xử lý, đồng lưu trữ
trạng thái các thiết bò trước đó.

PC
RTS

RXD

TXD

Khối chuyển đổi
RS-485 sang R-232

B

A

B

B

Khối chuyển đổi mức
TTL sang RS-485
RXD

TXD

Kit vi xử lí phòng 1

A

A

B

Khối chuyển đổi mức
TTL sang RS-485

Điều RXD
khiển

TXD

A

Khối chuyển đổi mức
TTL sang RS-485

Điều
khiển

Kit vi xử lí phòng 2

RXD

TXD

Điều
khiển

Kit vi xử lí phòng 3

Sơ đồ khối mạch kết nối giữa máy tính và các kit vi xử
lí
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 đònh
_ 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 thò 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 bò 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.
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiệu số
các hàm số nhiệt độ
ET = f(t1)- f(t2)
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(t2)=const thì:
ET = f(t1) – 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 đònh 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 trò, tính chất
nhiệt điện không thay đổi, độ bền hóa học và cơ học phải cao, dẫn nhiệt tốt, có trò
số suất điện động nhiệt lớn.
Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn đặc biệt và đặt
trong thiết bò bảo vệ nhằm tránh bò ăn mòn hóa học, thiết bò này được chế tạo từ
vật liệu bền cơ học, không thấm khí, không bò ăn mòn.
Thiết bò trên thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt. Đối với
cặp nhiệt điện q , ống bảo vệ chế tạo bằng thạch anh và gốm. Để cách điện
người ta dùng Amian (3000C ), ống thạch anh ( với 1000 0C ) hoặc ống sứ đến
1400C.
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.t2 +C.t3
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:
ST ≈ A+2Bt +3Ct
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 10C với đầu tự do ở 00C.
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 dòch
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 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 vò 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:
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 thò trường hiện nay. Với IC thông
dụng hiện nay là LM335.
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 trò 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 bò 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(nµn + pµp )
n và p : là mật độ electron và lỗ trống
µn , µp : 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 ( σphot ):
Là hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh
sáng :
σphot (u); λ=const.

 Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ:
Đó chính là sự thay đổi dẫn suất σphot hàm số của λ khi mật độ
năng lượng không thay đổi :
u= const
Srel(λ)=
 Vận tốc làm việc:
σphot (λ)
II.

SVTH: Lê Hoàng Dũng σphot max

Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 đònh là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65 % trò số cuối cùng khi được
chiếu sáng từ 0 lux sang 10 lux.
Thời gian trễ được xác đònh là khoảng thời gian cần thiết để một quang trở
thay đổi còn 35% giá trò 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 µn,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 bò
ion hoá. Nếu bình ion hoá được đặt một điện áp thì các điện tử và ion sẽ chuyển
động có 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 bò thu các suất phẩm của quá trình ion hóa để tạo
thành dòng điện. Thiết bò 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
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 (108 – 1013 ) 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 bò 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 trò 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 đònh nồng độ
khói nhất đònh để thiết bò 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 bò bắn ra, tạo thành dòng điện. Chuyển đổi quang điện
được phân chia thành ba loại:
1. Tế bào quang điện:
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,…
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 đònh
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 đònh 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.
_ 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
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

đònh bởi dạng thức hình học, kích thước và phương của tinh thể và có thể diễn tả
bởi công thức sau:
f =

n
l

c
ρ

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 ; 1Khi 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:

Q = 2π x

Năng lượng cơ hoặc điện cực đại
Năng lượng tiêu tán tuần hoàn

Đối với bản thạch anh, Q có giá trò rất cao, thường từ 10 4 đến 105. Phương
của dao động thạch anh so với trục của tinh thể xác đònh 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:
f1

=

2860
e

va

f2

=

2860
l ø ; 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 350 so với trục Z, bản dao động có thể dao động theo lực cắt bề
dày và tần số dao động có trò giá:
f = n.

1675
e

; f:KHz

n: số nguyên ≤ 5
_ Với những lực cắt khác được sử dụng : Tần số dao động cơ luôn
luôn tỉ lệ nghòch 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.

SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

Chung quanh tần số cộng hưởng cơ, về phương diện điện bản thân thạch anh
có thể được biểu thò bằng một lưỡng cực cấu tạo bởi hai nhánh song song.
L

R

C

C0

Một nhánh L, R, C. Các phần tử này có giá trò được xác đònh bởi đặc tính
hình học, cơ khí và tinh thể của bản dao động và có độ lớn:
L: Từ vài H đến 104H
C: Từ 10-2 pF đến 10-1 pF
R: Từ vài KΩ đến vài chục KΩ.
_ Một nhánh gồm điện dung C0 đó là điện dung được hình thành bởi
các điện cực kim loại có giá trò khoảng: 1 đến 100 pF, tỉ số C/C 0 có giá trò 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 fs:
1

fs= 2π LC
_ Cộng hưởng song song, giữa C0 và nhánh L, C, R tần số fp:
1
fp= 2π CL. 1
(1 + C / C 0)

Các tần số này rất gần nhau: (fp-fs)/fs = C/2C0
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: f =

n
l

c
ρ

_ Một sự thay đổi các giá trò thành phần L,C, R đặc trưng của bản dao
động, về phương diện điện .
Một cách tổng quát: f(T)=f0(1+ aT+bT2+ cT3);T:0C
⇒ ∆f /f0 = aT+ bT2 +cT3 ;với ∆ f=f(T)-f0
`

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:
S=

∆f
=a.f0
∆T

Với a=35,45.10-6/0C và f0= 28,208 MHz thì: S=1000Hz/0C
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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

em:
em=EmcosΩm t với Ωm= 2 π fm
fm=f0+ ∆ f và ∆ f=S(T-T0)=ST khi T0 =00C
Với mạch dao động chuẩn bằng thạch anh, tạo nên tín hiệu chuẩn e r tần số
f0 độc lập với môi trường.
er=ErcosΩ0t(Ω0=2 π f0)
Các tín hiệu em, er được đưa vào mạch thay đổi tần số, mạch nhân chẳng hạn, sẽ
tạo nên tín hiệu V’0 :
V’0=Kemer=E’0[ cos(Ωm-Ω0)t+cos (Ωm+Ω0)t]
Với một mạch lọc thông thấp qua nó giới hạn tần số cao ở đầu ra:
V0=E0cos(Ωm-Ωr)t=E0 cos 2. π . ∆ f.t
Một bộ đệm tần số cho phép xác đònh 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 2500C.
_ Khoảng cách tuyến tính: ± 0,05% khoảng đo.
_ Độ nhạy : 1000Hz/0C.
_ Khả năng đo:0,00010C.
_ Độ nhanh: hằng số thời gian nhiệt 2,5 giây trong nước có vận tốc
2m/giây.

SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 16


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 bò bằng cơ điện tử để có thể tạo thành ngôi
nhà thông minh khi gắn thiết bò này vào. Nhờ vào bộ xử lý trung tâm mà thiết bò
này có thể hoạt động một cách chính xác theo chương trình đã lập sẵn. Trong ngôi
nhà càng có nhiều thiết bò 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 bò cùng hoạt động khi đến giờ đònh 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 đònh. Hệ thống tưới
cây trong vườn cũng được điều khiển từ thiết bò 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 thò 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 đònh đòa chỉ
nơi đến, byte tiếp theo sẽ xác đònh nội dung giao tiếp giữa vi xử lý và PC, chẳng
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 17


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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

PC
RS-485
BUS
RS-485

RS-485

KIT VI XỬ
LÝ
PHÒNG 1

KIT VI XỬ

LÝ
PHÒNG 2

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
Mạch động lực
đóng cắt các thiết
bò
Mạch hồi tiếp
trạng thái thiết bò

Mạch hiển thò
nhiệt độ
Vi xử lí
Atmel
89C51

Mạch gia công tín
hiệu đo

Cảm biến quang

Mạch nguồn

IC đo nhiệt độ
Sơ đồ khối kit vi xử lý

SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 18

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 thò 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 bò sẽ biết được có trômg xâm nhập hay không.
c. Khối hiển thò nhiệt độ:
Khối này có dạng một panel hình chữ nhật được gắn trên từng phòng, nhiệt
độ trong phòng sẽ được hiển thò trên panel này.
d. Mạch động lực:
Dùng để đóng các thiết bò, nhận tín hiệu kích đóng từ vi xử lý.
e. Mạch hồi tiếp trạng thái các thiết bò:
Dựa vào mức của tín hiệu hồi tiếp về mà vi xử lý sẽ biết đươc thiết bò nào

đang bật, thiết bò nào đang tắt.
II. Thiết kế phần cứng
1. Mạch cảm biến quang:
Sơ đồ mạch như sau:
VCC

U1
R3

3

R5

330

2

220

R7
LED THU

+

6
AD741

1k

LED PHAT

R6
R4

INT0

-

Z ENER
5.1V

1k

100

SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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:
ILED =

5−2
330

= 9 mA

Khi LED thu dẫn, dòng qua LED
ILEDTHU =

5−2
=9mA
320

p đưa vào mạch khuếch đại LM741:
Vin = I LED thu x100 = 1 V
Để áp ra LM 741 đúng 5V khi LED thu dẫn ta chọn hệ số khuếch đại như
sau:
AV =1+ RI /RF
⇒ RI /RF

=5

=6

Chọn Rf = 2.2 kΩ
⇒ RI = 5*2.2 = 11 kΩ
Khi mạch chạy bão hòa thì áp ra trên Diode Zenner 5V là:
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 20


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

Vout = Vin x Av = 1 x 5 = 5V
Ta dùng Zenner 5.1V để ổn áp ngõ ra ổn đònh 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. Nghóa 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:

VCC

R2
4.7K

R1
4.7K

P1.0

SW1
U2A
CAM BIEN QUANG 1
SW2

1

3

2

INT1

7408
CAM BIEN QUANG 2

P1.1

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 bò đếm lầm . Để khắc phục tình trạng này ta dùng cùng lúc hai
cảm biến quang đặt cách nhau ở một khoảng cách xác đònh. Dựa vào sự thay đổi
trạng thái của cảm 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
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 21


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 bò:
Sơ đồ nguyên lý mạch động lực như sau:
+12V

D4

2

2

1

R1

1

U1

1
4
K2

6

4
2

1
Q1

2.2K

D3

1

2

3

4N26

D2

2

DIEU KHIEN DEN

R2

2

5

3

330

12

1

2
1

D1
1

JP1

D5

2
1

2

110ohm,3W

VCC

R5

5.1V

22k

3

Q2

1

U2

4
R3

2
4N26

1k

3

R6

R4
1k

Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
SVTH: Lê Hoàng Dũng

1

5

2
6

2

+

P1.3

AD741
-

22k

U1

6

Trang 22


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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, do điện trở công suất mắc nối tiếp đèn nên đèn sáng thì trên
điện trở công suất sẽ có áp. p 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 đònh 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 đònh 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 đònh áp hồi tiếp về khi có nhiều thiết

bò 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.
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 23


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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.

Nắn
dòng

220V

Lọc áp

IC ổn
áp

Lọc bỏ
Các gợn

Sóng

R1
10k
2

A1015

1k
3

7SEG
3
8
.
g
f
e
d
c
b
a

3
8
5

IC giải
mã
LED

74247

10
9
1
2
4
6
7

TIN HIEU CHON LED

R2

1

Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho các kit vi xử lý
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 đònh và có nguy cơ chết IC.
5. Mạch hiển thò nhiệt độ bằng LED 7 đoạn:
Để hiển thò nhiệt độ đo được ta dùng các LED 7 đoạn để hiển thò. Dùng IC
74247 để giải mã sang LED 7 đoạn. Mạch hiển thò 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 thò 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:

SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 24

5V
-5V
+12 V
-12V


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Nguyễn Thò Phương Hà

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 bò theo yêu cầu:
Mạch này mô phỏng chức năng của 1 công tắc
VCC
đóng ngắt thiết bò. Khi SW3 không được nhấn
thì P2.7 ở mức cao. Vi xử lý sẽ kiểm tra chân
R3
P2.7=0 nghóa là ta đã nhấn nút SW thì nó sẽ
4.7K

SW3
thực hiện một chương trình con có nhiệm vụ
P2.7
đóng đèn khi đèn đang tắt, và tắt đèn khi đèn
DIEU KHIEN DEN
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 bò 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.
Mạch phần cứng thiết kế có phần hồi tiếp trạng thái của các thiết bò. Cho
nên chương trình điều khiển cũng không có gì gây ra phức tạm lắm. Thiết bò đóng,
tín hiệu hồi tiếp về mức 1 (+5V), thiết bò 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 bò. Nó sẽ xuất tín hiệu đóng Relay cấp nguồn cho thiết bò.
Ngược lại, nếu tín hiệu hồi tiếp về đang là mức 1 thì vi xử lý sẽ hiểu là yêu cầu
ngắt thiết bò 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 bò thì vi xử lý sẽ phải xử lý chương trình. Ta thiết kế hai nút nhấn
tương tự như thế và quy đònh nút nào nhấn là đóng, ngắt thiết bò.
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 oC: 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.
SVTH: Lê Hoàng Dũng

Trang 25