Báo cáo bài tập dài môn điện tử ứng dụng

Trường đại học Bách Khoa – Đại học quốc gia TP HCM
Khoa Điện-Điện Tử-Bộ Môn Điện Tử
--------------

BÁO CÁO BÀI TẬP DÀI
MÔN: ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

ĐỀ TÀI 23
GVHD: Thầy Lưu Phú
SVTH : Nhóm 20

Tp.HCM,21/05/2015

Phần 1: Cảm biến (D203B)
1


1. Giới thiệu về cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR)

- PIR sensor là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng
ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong
chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn
phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện
để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát
hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng
nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn
tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật...
-Cấu trúc cảm biến PIR

a) Cảm biến PIR D203B

b) Thấu kính Fresnel (tăng độ nhạy)

2. Nguyên lý làm việc:

2


Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại,
qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại
gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với FET. Khi có một nguồn nhiệt đi ngang
qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu làm cho FET hoạt động và xuất ra xung. Để
tăng khoảng cách dò tín hiệu, ta sẽ dùng mạch khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch
so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển….
Dựa vào sơ đồ khuếch đại trong Datasheet của DB203 ta có sơ đồ:

3. Phân tích các khối trong sơ đồ mạch:
a) Khối khuếch đại 1:
3


Vì tín hiệu ra của cảm biến PIR có tần số thấp. Nên ta có mạch khuếch đại và kết hợp với bộ lọc
thông dải để lọc nhiễu không cần thiết. Tần số cắt: flow1=1/(2πR4C4)=1.6 Hz; fhigh1=1/(2πR3C3)=16
Hz. Độ lợi: Gain1=1+R3/R4=101
b) Khối khuếch đại 2

Tương tự như phần a, mạch có chức năng khuếch đại và lọc nhiễu: Tần số cắt: flow1=1/
(2πR5C5)=1.6 Hz ; fhigh1=1/(2πR8C8)=16 Hz ; Độ lợi: Gain1=R8/R5=100

4

c) Khối so sánh :

Sau khi khuếch đại tín hiệu, tín hiệu sẽ sánh với ngưỡng và xuất ra mức logic để đưa vào MCU
để xử lý.

5


Phần2: Điều khiển đóng mở cửa tự động
1. Giới thiệu vi điều khiển AT89C51
8051 là vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS51 được Intel sản xuất vào năm 1980. Họ
MCS51 là họ 8-bit có khả năng định địa chỉ 64KB bộ nhớ chương trình và 64KB bộ nhớ dữ liệu.
Một số chip 8051 thông dụng:

6


2.

Kiến trúc phần cứng:

3. Cấu hình chân:

7


- VCC: Điện áp cung cấp.
- GND: Được nối đất.
- RST : ngõ vào RESET, chân RESET ở mức cao trong 2 chu kỳ máy khi bộ dao động đang chạy

sẽ RESET chip.
- PSEN (Program Store ENable): được nối với chân OE của chip dữ liệu bên ngoài,
- ALE : (ALE : Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép phân
kênh giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu trên PORT0.
- EA : (External Access): chọn bộ nhớ giao tiếp. EA=1: chọn bộ nhớ nội, EA=0: chọn bộ nhớ
ngoại.
Cấu hình chọn bộ nhớ ngoài:

8


- PORT 0:
Port 0 là một cổng 8 bit I/O 2 chiều, Khi mức logic 1 được viết vào các PIN của PORT 0, Pin đó
có thể được sử dụng là cổng vào trở kháng cao.
Port 0 cũng có thể được cấu hình thành bus ghép kênh 8 bit địa chỉ/dữ liệu thấp trong quá trình
truy nhập bộ nhớ ngoài, ở chế độ này các PIN của PORT 0 sẽ được kéo lên bên trong.
Ngoài ra PORT 0 cũng được sử dụng để nạp dữ liệu cho chip.
- PORT 1:
Port 1 là cổng I/O 2 chiều có trở treo bên trong. Khi mức logic 1 được viết vào PIN của PORT 1,
PIN đó được kéo lên bởi 1 trở treo bên trong, và có thể được sử dụng là cổng vào.
Ngoài ra các PIN P1.0 và P1.1 có thể được cấu hình là đầu vào của bộ Timer 2 (AT89S52,
AT89C52). Các pin P1.5, P1.6, P1.7 (AT89S51, AT89S52) lần lượt là các PIN MOSI, MISO,
SCK khi sử dụng để nạp cho chip qua ISP (In- System Programing).
- PORT 2 :
Port 2 là cổng I/O 2 chiều có trở treo bên trong. Khi mức logic 1 được viết vào PIN của PORT 2,
PIN đó được kéo lên bởi 1 trở treo bên trong, và có thể được sử dụng là cổng vào.
Port 2 cũng có thể được cấu hình thành bus ghép kênh 8 bit địa chỉ cao trong quá trình truy nhập
bộ nhớ ngoài với 16 bit địa chỉ.
- PORT 3 :
Port 3 là cổng I/O 2 chiều có trở treo bên trong. Khi mức logic 1 được viết vào PIN của PORT 3,

PIN đó được kéo lên bởi 1 trở treo bên trong, và có thể được sử dụng là cổng vào.

9


Ngoài ra các Pin của PORT 3 cũng có thêm các chức năng đặc biệt khác:

I.

ENCODER.
Động cơ sử dụng Encoder tương đối là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

-

Khối Encoder sẽ có 2 phần là:
Đĩa quay: cấu tạo gồm N rãnh hoặc lỗ (hay độ phân giải của Encoder)
Các cặp thu phát hồng ngoại.

10


Khi động cơ quay khối Encoder sẽ xuất ra 2 tín hiệu dạng xung A và B cùng tần số, lệch pha 90
độ (do sự bố trị lệch nhau của 2 cặp thu phát hồng ngoại). Với 2 tín hiệu A, B này mình sẽ xác
định được tốc độ và chiều quay của động cơ tại 1 thời điểm.
-Nguyên lý đo tốc độ động cơ:
Khi tia hồng ngoại từ Led phát đi qua 1 rãnh trên đĩa Encoder đến Led thu thì trên kênh A (B) sẽ
tạo ra 1 xung vuông, như vậy khi đĩa quay quay được 1 vòng thì trên kênh A (B)sẽ có N xung.
Gọi tốc độ động cơ là V(vòng/s), số xung Encoder đếm được trong 1s là n, ta có công thức tính
tốc độ động cơ:
V=n/N (vòng/s)

-

Cách xác định chiều quay của động cơ :
Như trên đã nói, khối Encoder xuất ra 2 xung A,B lệch pha 90 độ, từ đặc điểm này, khi động cơ
đang ở 1 vị trí bất kỳ mình sẽ xác định được chiều quay của động cơ:

Quay thuận: Kênh B ở trạng thái mức cao khi kênh A có cạnh xuống.
Quay nghịch: Kênh B ở trạng thái mức thấp khi kênh A có cạnh xuống.
(trong bài toán của mình không có cái này).
Tóm lại, để đo được tốc độ động cơ, bạn chỉ cần đếm được trong 1s Encoder xuất ra bao nhiêu
xung hay nói cách khác chúng ta quy về bài toán đo tần số xung vuông trên kênh A (hoặc kênh B)

11


của Encoder.
II.

IC L298.
IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp làm tăng công
suất đầu ra từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng dụng công suất
nhỏ như động cơ DC loại vừa …

Mình tóm tắt qua chức năng các chân của L298:
- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của L298. Đây là
các chân nhận tín hiệu điều khiển.
- 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với
các chân 2, 3, 13, 14 của L298. Các chân này sẽ được nối với động cơ.
- Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức logic “1”

(nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H
không hoạt động.
Với bài toán của em ở trên, các bạn chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298:
-Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào .
-Khi ENA = 1:
INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuân.
INT1 = 0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch.
INT1 = INT2: động cơ dừng ngay tức thì.
(tương tự với các chân ENB, INT3, INT4).
Trong bài toán này em sử dụng module L298 V1 để điều khiển chiều quay của động cơ DC.
Sơ đồ nguyên lý:

12


III.Sơ đồ giải thuật.
Lưu đồ cảm biến

Cảm biến người

S

Đ
Mở cửa
Đ

SV >5

Dừng động cơ
S

Cảm biến người

PWM

S
Delay

Đóng cửa
SV=0
Đ

SV>5

S
13

Đ


Dừng động cơ

PWM

Lưu đồ PWM
Dem=0
TH0=TL0=0x9b
TH1=0x9b

TF0=1

Đ

S
Dem++

Dem<=ptram_xung

Đ

S

PWM=1

PWM=0

Điều khiển
động cơ
S

TF1=1
Đ

14


Ptram_xung=ptram_xung-20
SV++

Phần 3. Thiết kế mạch nguồn ổn áp xung
Input: 220VAC

Output1: 5VDC/0.5A: cấp cho cảm biến hồng ngoại, opam, mạch điều khiển.
Output2: 24V/3A: cấp cho động IC L298 điều khiển động cơ.
Bài toán thiết kế
Dùng biến áp đưa 220V/50Hz về 2 nguồn 5VAC+/-20% và nguồn 12VAC+-/20%

11
1.Thiết kế nguồn xung 5VDC/0.5A.
Vin1(min)=5*0.8*1.41-0.7*2=4.24V
15


Vin1(max)=5*1.2*1.41-0.7*2=7.06V
Pout=5*0.5=2.5W
Ta chọn mạch flyback sử dụng IC MAX641
Giới thiệu về ICMAX641/642/643
(Xem them datasheet MAX641-MAX643_sử dụng
với công suất ngõ ra từ 0.5mW-10W).

Sớ đồ mạch

•

Chọn diode công suất. Khi diode D3 tắt BVR=5V.

Ta chọn D3 là diode 1N5817

16


Công suất ghép vào cuộn sơ cấp, bỏ qua mát mát trên Q1 ( điện trở Ron)

Pt=Pout+VF*Iout=2.5+0.45*0.5=2.725W
Chọn tần số giao hoán của Q1 là fo=50KHz, chu kỳ nhiệm vụ t on=50%

Với fo=50KHz và Vin1(min)=4.24V. Điện cảm cuộn sơ cấp

Với Vin1(max)=7.06V. Dòng đỉnh qua cuộn sơ cấp
Ta chọn Q1 IFR540

17


Từ hình 3.26  lõi có kích thước 18x11 và
Ta chọn

.

Tìm được số vòng dây cuộn sơ cấp:

Tỷ số áp vào/áp ra:

Chọn N1/N2=1.2
Suy ra số vòng thứ cấp N2=3

Theo bảng 3.5 ứng với lõi 18x11 ta chọn cuộn dây 2 ngăn A W=0.084cm2
18


•

Tìm T: tỷ số vòng dây/cm2 . Chọn

Từ bảng 3.6 ta chọn dây #16 có số vòng/cm 2 =51.2
Bảng 3.6 cho dây #18 có điện trở 4.020ohm/1000feet. Chiều dài trung bình 1 vòng với lõi 18x11 là 0.121
feet theo bảng 3.5. Rsơcap=NIW.rw=3.6*0.121*0.00402=0.00175ohm
Với dòng đỉnh Ipk=4.281A, công suất mất mát trung bình: (I pk2*Rsơcap)/3=10.7mW#0.4% công suất ghép vào
cuộn sơ cấp.
Với phần thứ cấp N2=4.4 suy ra
Từ bảng 3.6 ta chọn dây #17 có số vòng/cm 2=63.6
Tương tự ta tính được: Rthucap=3*0.121*0.005054=0.00183ohm
Với òng đỉnh Ipk*1.2=4.281*1.2=5.1372A, công suất mất mát trung bình
(5.13722*0.00183)/3=16.1mW#0.6% công suất áp trên cuộn sơ cấp.
•

Chọn C5=470uF@50V, C7=330p(lọc nhiễu, đáp ứng nhanh)

Ngõ ra được điều chỉnh bởi R1 và R2 với R2=10K-10M và thường là hàng trăm KOhm

2.Thiết kế nguồn xung 24VDC/3A
Vin2(min)=12*0.8*1.41-2*0.7=12.136V, Vin2(max)=12*1.2*1.41-2*0.7=18.904
Ta chọn mạch boost sử dụng IC UC3844. Sơ đồ mạch boost chi tiết sử dụng UC3844

19


2.1. Thiết kế cuộn dây, chọn diode công suất D1, Mosfet công suất Q1 trong nguồn boost
Chọn tần số giao hoán của Q1 là fo=50KHz, t on=50%
•

Khi Diode D1 tắt BVR =24V.

Từ bảng 3.3 ta chọn D1 là 1N5824 có Imax=5A, VF=0.37V, BVR=30V.
Giả sử bỏ qua mất mát trong cuộn dây, mosfet Q1(R on nhỏ không đáng kể)
•

Với Vin2(min)=12.136V

•

Với Vin2(max)=18.904V

•
•

Từ bảng 3.4 ta chọn Q1 là IFR640 có Ron=0.18ohm, Imax=10A, BVRmax 200V
Chọn cuộn dây

`
Từ hình 3.26 chonj kích thước lõi 22x13 có AL<200. Ta chọn AL=175
Số vòng dây quấn
Từ bảng 3.5 tương ứng với kích thước lõi 22x13 ta chọn AW cho cuộn dây có 2 ngăn là 0.138cm2.

20


Tìm
Từ bảng 3.6 chọn dây #19 có số vòng/cm2=98.4.
Bảng 3.6 cũng cho dây #19 có điện trở 8.046ohm/feet. Chiều dài trung bình 1 vòng với lõi 22x13 là 0.145.
Suy ra Rcuonday=13.11*0.145*0.008046=0.0153ohm.
Với Ipk=6.28A, công suất mất mát trung bình: (6.28 2*0.0153)/3=0.201W#0.28% công suất ngõ ra.
2.2 Ghép với IC UC3844

•

Bộ dao động.

Tần số dao động phụ thuộc vào RT và CT
Với thời gian chết là 50%

Dựa vào hình b ta chọn CT=10nF và fosc=50KHz
Dựa vào hình a ta chọn RT=3.5k
•

Bộ khuếch đại sai lệch

Đảm bảo không có xung suất hiện ngõ ra (6) khi chân 1
ở mức thấp thông qua điện trở hồi tiếp Rf. Điều này
xảy ra khi nguồn hoạt động không tải hoặc bắt đầu
khởi động.
Điện trở hồi tiếp áp tối thiểu cho bộ khuếch đại sai lệch giới hạn bởi dòng cấp ngõ ra yêu cầu để đạt mức
ghim 1,0V của bộ so sánh.
Rf(min)=(3*1V+1.4V)/0.5mA=8.8K

•

Bộ so sánh nhạy dòng và chốt PWM.

Dòng đỉnh cuộn dây trong điều kiện hoạt động bình thường được kiểm soát bởi điện áp chân1. Vì
ngưỡng bộ so sánh nhạy dòng được ngim ở bên trong là 1V,cho nên dòng đình tối đa là.

21

Các tụ chọn Cf=100pF: lọc nhiễu hồi tiếp, Co=470uF giữ điện áp ngõ ra tải không đổi. Ci: lọc nhiễu ngõ
vào.
D7,C7,R7 triệt subner bảo vệ quá áp trên mosfet.

22


Tài Liệu Tham Khảo.
0/ Giáo Trình Điện Tử Ứng Dụng_Lưu Phú
1/
2/ />NewsId=109
3/ />
23