MÔ HÌNH GARA ÔTÔ TRONG NHÀ THÔNG MINH (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH GARA ÔTÔ TRONG NHÀ
THÔNG MINH


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog-to-digital converter

DC

Direct Current

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

I2C

Inter-Intergrated Circuit

ICSP

In Circuit Serial Programming

PIC

Programmable Intelligent Computer

PWM

Pulse Width Modulation

RAM

Random Access Memory

RPM

Revolutions Per Minute

SFR

Special Function Register

SPI

Serial Peripheral Interface

SSP

Supply Side Platform

TTL

Transistor-transistor logic

USART

Universal Syncronous Asyncronous Receiver Transmitter


Trang 6/40

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu
Ngày nay với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ và sự phát triển không ngừng của
nhu cầu về đời sống vật chất và tinh thần của con người, mang lại nhiều cơ hội cũng
như không các ít thách thức cho các nhà đầu tư. Nắm bắt được điều đó, hôm nay em
xin giới thiệu đề tài đó là: Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh. Được xây dựng
trên ý tưởng cất và lấy xe ôtô một cách tiện lợi và thoải mái nhất.
1.1.1 Mô tả mạch
Khi chạy xe về nhà, khi xe tiến đến một khoảng cách nhất định và nhận biết đó là xe
của chủ nhà thì cửa gara mở lên (và nếu có trộm đột nhập mở cửa gara thì còi hú
nhẹ báo động). Khi chạy xe vào trong gara, đèn trong gara sẽ bật sáng khi có người
hoặc xe vào trong, lúc trời tối. Xe đã đi vào trong, khi không còn tín hiệu của xe,
cửa gara sẽ đóng lại và người đi vào trong nhà thì đèn trong gara tự động tắt. Ngược

lại, vào lúc sáng sớm đi làm, khi có người xuống lấy xe thì đèn trong gara sẽ sáng
khi trời vẫn còn tối, cửa gara sẽ mở khi nhận thấy tín hiệu của xe, chạy xe ra, cửa
gara tự động đóng lại.
1.1.2 Mục tiêu
• Cung cấp sự tiện lợi, thoải mái cho người sử dụng.
• Dễ dàng quản lý và điều khiển theo ý muốn.
• Mạch có tính kinh tế, phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế hiện nay.
• Có thể đầu tư, sản xuất và phát triển mạch theo hướng hiện đại hóa.
1.1.3 Yêu cầu đề tài
• Tìm hiểu vi điều khiển và linh kiện liên quan khóa cổng, đèn chiếu sáng
trong gara.
• Xây dựng mô hình sát với thực tế, thiết kế hệ thống điều khiển và thiết lập
mã khóa cửa và các chế độ vào/ra.
• Mô phỏng mạch, khảo sát, điều chỉnh.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 7/40

• Thi công phần cứng, khảo sát đánh giá hoạt động của hệ thống.
1.2 Tìm hiểu các linh kiện chính
Mạch sử dụng các linh kiện chính: PIC16F877A, động cơ DC 12V, module cảm
biến vật cản hồng ngoại V1, module điều khiển động cơ L298N, module cảm biến
báo cháy, module cảm biến chuyển động HC-SR501, Rơ-le 12V-10A, module cảm
biến ánh sáng.
1.1.4 Giới thiệu PIC16F877A
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài là 14
bit. Mỗi lệnh được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa
cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh 200 ns. Bộ nhớ chương trình 8K x 14 bit,

bộ nhớ dữ liệu 368 byte RAM, bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256 byte.
Số Port I/O là 5 với 33 pin I/O.
Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau
• Timer 0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số là 8 bit.
• Timer 1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, thực hiện chức năng đếm dựa vào
xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
• Timer 2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
• Hai bộ Capture/ so sánh/ điều chế độ rộng xung.
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP ( Synchronous Serial Port ), SPI và I2C.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
Cổng giao tiếp song song PSP ( Parallel Slave Port ) với các chân điều khiển RD,
WR, CS ở bên ngoài.
Các đặc tính Analog
• 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.
• Hai bộ so sánh.
Bên cạnh đó có một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
• Bộ nhớ flash với khả năng ghi và xóa được 100.000 lần.
• Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi và xóa được 1.000.000 lần.
• Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ khoảng 40 năm.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 8/40

• Khả năng tự nạp chương trình kết hợp với sự điều khiển của phần mềm.
• Nạp được chương trình ngay cả trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial
Programming) thông qua 2 chân.
• Watchdog Timer với bộ dao động trong.
• Chức năng bảo mật mã chương trình.

• Chế độ Sleep.
• Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.
Sơ đồ chân

Hình 1-1: Sơ đồ chân PIC16F877A

Tính năng các chân
Bảng 1-1:Tính năng các chân của PIC16F877A

Tên
OSC1/CLKI
OSC2/CLKO

Chân
13
14

Loại
I

Mô tả chức năng
Dao động tinh thể lối vào dao động

O

ngoài.
Dao động tinh thể hoặc lối ra xung

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh

Trang 9/40

MCLR/Vpp
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/V-ref/CVRef

1
2
3
4

I/P

nhịp.
Lối vào reset. Lối vào điện áp nạp

I/O
I/O
I/O

trình Vpp.
Vào/ ra số. Lối vào analog 0.
Vào/ ra số. Lối vào analog 1.
Vào ra số. lối vào analog 2. Lối vào

RA3/AN3/V+ref

5

I/O

điện áp chuẩn V-ref của ADC.
Vào ra số. lối vào analog 3. Lối vào

RA4/TOCKI/C1OUT

6

I/O

điện áp chuẩn V-ref của ADC.
Vào/ra số cực máng ngỏ. Lối vào
xung ngoài cho Timer. Lối ra bộ so

RA5/SS/AN4/C2OUT
RB0/INT
RB1
RB2
RB3/PGM
RB4
RB5
RB6
RB7
RC0/T1OSO/T1CKI
RC1/T1OSI/CCP2

7
33

34
35
36
37
38
39
40
15
16

I/O

sánh 1.
Vào/ra số. lối vào chọn SOI. Lối vào

I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O

analog 4. Lối ra bộ so sánh 2.
Vào/ra số. Lối vào ngắt ngoài.
Vào/ra số.
Vào/ra số.
Vào/ra số. Nạp trình LVP

Vào/ra số.
Vào/ra số.
Vào/ra số. Xung nhịp nạp trình ICSP.
Vào/ra số. Dữ liệu nạp trình ICSP.
Vào/ra số. Tạo dao động Timer. Xung

I/O

nhịp ngoài cho Timer 1
Vào/ra số. Tạo Timer 1. Lối vào
capture. Lối ra Compare 2. Lối ra

RC2/CCP1
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
RC5/SDO
RC6/TX/CK

17
18
23
24
25

I/O

PWM2.
Vào/ra số.

I/O

Capture1. Lối ra PWM1.
Vào/ra số. Nhịp đồng bộ cho SPI và

I/O

I2C.
Vào/ra số. Vào dữ liệu SPI. Vào ra dữ

I/O
I/O

liệu I2C.
Vào/ra số. Ra dữ liệu SPI.
Vào/ra số. Cổng truyền thông không

Lối

vào

vào/ra

đồng bộ. Xung nhịp truyền đồng bộ.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh

số


Trang 10/40

RC7/RX/DT

26

RD0,1,

19, 20,

2,3,

21, 22,

4,5,

27, 28,

6,7
RE0/RD/AN5

29, 30
7

RE1/WR/AN6
RE2/CS/AN7
Vss
Vdd

8
9

12,31
11,32

I/O

Vào/ra số. Công nhận không đồng bộ.

I/O

Dữ liệu đồng bộ.
Vào/ra số.

I/O

Vào/ra số. Điều khiển RD cổng song

I/O

song.
Vào/ra số. Điều khiển WR cổng song

I/O

song.
Vào/ra số. Điều khiển CS cổng song

I/O
I/O

song.

Đất chung cho lối vào ra và analog.
Cấp nguồn dương.

Tổ chức bộ nhớ:
Có 3 bộ nhớ riêng biệt trong vi điều khiển PIC16F877A gồm có: Bộ nhớ dữ liệu
(Data memory), bộ nhớ chương trình (Program memory), bộ nhớ EEPROM.
• Bộ nhớ chương trình (Program memory)
Bộ nhớ chương trình vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ
8K word (1 word = 14 bit), được phân thành nhiều trang (từ page 0 đến page 3). Bộ
nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192 lệnh (vì một lệnh sau khi
mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14 bit)).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset
vector). Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình chỉ đến địa chỉ 0004h (Interrupt
vector). Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ
hóa bởi bộ đếm chương trình.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 11/40

Hình 1-2: Bộ nhớ chương trình

• Bộ nhớ dữ liệu (Data memory)
Bộ nhớ dữ liệu chia thành 4 bank, mỗi bank có dung lượng 128 byte RAM tĩnh.
Mỗi bank bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR (Special Function
Register) nằm ở vùng địa chỉ thấp, các thanh ghi mục đích chung GPR (General
Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ cao. Các thanh ghi SFR thường xuyên được
sử dụng như: STATUS, INTCON, FSR được bố trí trên tất cả các bank giúp thuận
tiện trong quá trình truy hoặc xuất.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 12/40

Hình 1-3: Bộ nhớ dữ liệu

• Bộ nhớ EEPROM
Một bộ nhớ dữ liệu đặc biệt kiểu EEPROM dung lượng 256 byte được tích hợp
trong PIC 16F877A, được xem như thiết bị ngoại vi được nối vào bus dữ liệu, bộ
nhớ này có thể ghi đọc trong quá trình hoạt động dưới sự điều khiển của chương
trình.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 13/40

Các cổng xuất - nhập:
Vi điều khiển PIC16F877A có tất cả 5 cổng xuất nhập, bao gồm: Port A, Port B,
Port C, Port D và Port E.

Hình 1-4: Sơ đồ các ngõ ra.

• Port A
Port A bao gồm 6 I/O pin ( RA0 – RA5) . Đây là các chân “hai chiều” (bidirectional
pin), nghĩa là chúng có thể xuất và nhập được. Chức năng của I/O này được điều
khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h). Muốn xác lập chức năng của một chân
trong Port A là input, ta “set” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi

TRISA và làm ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong Port A là
output, ta “clear” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA.
Chân RA4 dùng chung với lối vào xung nhịp cho Timer 0 khi dùng bộ đếm xung từ
bên ngoài.
Các chân khác của cổng A được ghép lối vào của các bộ so sánh tương tự và bộ biến
đổi ADC 8 kênh.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 14/40

• Port B
Port B (RPB) gồm 8 pin I/O ( RB0 – RB7). Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương
ứng là TRISB. Bên cạnh đó có một số chân của Port B được sử dụng trong quá trình
nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau. Port B còn liên
quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer 0.
Port B còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên 20 KOhm được điều khiển bởi
chương trình.
Chân RB0 có thể lựa chọn là lối vào của ngắt ngoài Extint.
Có 3 chân của cổng B được ghép lối với chức năng ICSP bao gồm: RB6, RB7, RB3
tương ứng với lối vào PGC, PGD, LVP khi nạp trình. Lối vào RB4 và RB7 làm phát
sinh ngắt RBIF khi thay đổi trạng thái khi các chân này định nghĩa là các lối vào.
Trạng thái hiện tại của lối vào này sẽ được so sánh với trạng thái được chốt lại tại
lần đọc trước đó. Khi có sự khác nhau thì cờ ngắt RBIF sẽ được lập.
• Port C
Port C (RPC) gồm 8 pin I/O (RC0 – RC7). Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương
ứng là TRISC. Bên cạnh đó số chân của Port C còn chứa các chân chức năng của bộ
so sánh, bộ Timer 1, bộ PWM và các chuẩn giao tiếp nối tiếp như: I2C, SPI, SSP,
USART.

• Port D
Port D (RPD) gồm 8 chân I/O ( RD0 – RD7), thanh ghi điều khiển xuất nhập tương
ứng là TRISD. Port D còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel
Slave Port).
• Port E
Port E có 3 chân là: RE0 , RE1 , RE2 có thể được cấu hình là các chân xuất nhập.
Các chân của Port E có ngõ vào analog, tại chế độ này khi đọc trạng thái các chân
Port E sẽ cho ta giá trị 0. Bên cạnh đó Port E còn là các chân điều khiển của chuẩn
giao tiếp PSP.
1.1.5 Động cơ quay DC 12 V

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 15/40

Hình 1-5: Động cơ DC

Thông số kĩ thuật
• Điện áp cấp cho Encoder là 5 V.
• Điện áp cấp cho Động cơ là 3-24 V.
• Chỉ có 1 kênh Encoder nên không xác định được chiều quay.
• Số xung là 41 xung.

Sơ đồ chân

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 16/40

Hình 1-6: Sơ đồ chân của động cơ

Sơ đồ nguyên lí

Hình 1-7: Sơ đồ nguyên lí của động cơ

Ưu điểm so với các động cơ khác

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 17/40

• Tốc độ nhanh, động cơ xoay vòng liên tục, dễ dàng thay đổi theo nhu cầu
người sử dụng.
• Được sử dụng cho các thiết kế phải có một thiết bị quay với tốc độ RPM. Ví
dụ: trục bánh xe ô tô, cánh quạt máy,…
1.1.6 Module cảm biến vật cản hồng ngoại V1

Hình 1-8: Cảm biến vật cản

Mô tả
• Cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại luôn thích nghi với môi trường xung
quanh, có một cặp truyền/nhận dữ liệu hồng ngoại với một tần số nhất định.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 18/40

• Khi phát hiện ra tia hồng ngoại của một vật cản bề mặt phản xạ sẽ nhận tín
hiệu và xử lý đèn báo màu xanh lá cây sẽ sáng đồng thời đầu ra cho tín hiệu
số ở mức thấp.
• Khoảng cách làm việc hiệu quả là từ 2 – 80 cm.
• Điện áp làm việc 3.3 V – 5 V.
• Phạm vi phát hiện của cảm biến có thể được điều chỉnh từ núm chiết áp
thông qua một Potentiometer, dễ lắp ráp, dễ dàng để sử dụng các tính năng,
nó có thể được sử dụng rộng rãi trong việc làm Robot tránh vật trở ngại,…
Thông số kĩ thuật
• Bộ so sánh sử dụng LM393, làm việc ổn định.
• Điện áp làm việc: 3.3 – 5 V DC.
• Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng.
• Lỗ vít 3 mm, dễ dàng cố định, lắp đặt.
• Kích thước: 3.2 cm * 1.4 cm.
Cổng giao tiếp
• Vcc: điện áp chuyển đổi từ 3.3 – 5 V.
• GND: GND ngoài.
• OUT: đầu ra kĩ thuật số (0 và 1).
1.1.7 Module điều khiển động cơ L298N

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 19/40

Hình 1-9: Module điều khiển động cơ

Thông số kĩ thuật
• Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.

• Điện áp điều khiển: 5 V ~ 12 V.
• Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2 A (=> 2 A cho mỗi motor).
• Điện áp của tín hiệu điều khiển: 5 V ~ 7 V.
• Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36 mA.
• Công suất hao phí: 20 W (khi nhiệt độ T = 75 ℃).

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 20/40

• Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃.
Các chân tín hiệu
• Số 1: DC motor 1 "+" hoặc stepper motor A+.
• Số 2: DC motor 1 "-" hoặc stepper motor A-.
• Số 3: 12 V jumper - tháo jumper ra nếu sử dụng nguồn trên 12 V. Jumper này
dùng để cấp nguồn cho IC ổn áp tạo ra nguồn 5 V nếu nguồn trên 12 V sẽ
làm cháy IC nguồn.
• Số 4: cắm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor vào đây từ 6 V đến 35 V.
• Số 5: cắm chân GND của nguồn vào đây.
• Số 6: ngõ ra nguồn 5 V, nếu jumper đầu vào không rút ra.
• Số 7: chân Enable của Motor 1, chân này dùng để cấp xung PWM cho motor
nếu dùng vi điều khiển thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào đây. Giữ
nguyên khi dùng với động cơ bước.
• Số 8: IN1.
• Số 9: IN2.
• Số 10: IN3.
• Số 11: IN4.
• Số 12: Chân Enable của Motor 2, chân này dùng để cấp xung PWM cho
motor nếu dùng vi điều khiển thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào

đây. Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước
• Số 13: DC motor 2 "+" hoặc stepper motor B+.
• Số 14: DC motor 2 "-" hoặc stepper motor B-.

1.1.8 Module cảm biến báo cháy

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 21/40

Hình 1-10: Cảm biến cháy

Thông số kĩ thuật
• Module cảm biến phát hiện ngọn lửa.
• Điện áp hoạt động 5 V.
• Sử dụng IC so sánh áp LM393, ngõ ra TTL tích cực mức cao.
• Phát hiện ánh sáng có bước sóng từ 760 nm đến 1100 nm (ánh sáng hồng
ngoại, lửa).
• Góc phát hiện < 60 độ.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 22/40

• Độ nhạy có thể điều chỉnh.
• Kích thước 48 x 14 mm.
• Tính hiệu ra dạng logic.
1.1.9 Module cảm biến chuyển động HC-SR501

Hình 1-11: Cảm biến chuyển động HC-SR501

Đặc tính kỹ thuật
• Sử dụng điện áp: 4.5 – 12 V DC.
• Thứ tự các chân: Vcc – OUT – GND.
• Có hai chế độ hoạt động: không lặp lại kích hoạt (L) và lặp lại kích hoạt
(H).
• Góc quét: dưới 100 độ.
• Thời gian trễ: điều chỉnh trong khoảng 4 - 200 giây.
• Kích thước: 32 mm x 24 mm.
Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 23/40

• Khoảng cách phát hiện: 4 - 5 m.
Tính năng
• Khi có người vào phạm vi cảm biến, phát đi tín hiệu báo hiệu vật thể.
• Thiết lập hai chế độ kích hoạt: L (không lặp lại kích hoạt: module tự động
đưa về mức thấp khi hết thời gian trễ) và H (có lặp lại kích hoạt: module
luôn giữ ở mức cao cho đến khi không còn người chuyển động).
LƯU Ý
• Nên cố gắng tránh ánh sáng trực tiếp và nguồn nhiễu gần với bề mặt lăng
kính của các module, để tránh đưa ra tính hiệu nhiễu, tránh sử sụng môi
trường nhiều gió, nhiều ánh sáng.
1.1.10 Relay SRD-05VDC-SL-C

Hình 1-12: Relay 5 chân SRD-05VDC

Relay 5 chân SRD-05VDC là thiết bị đóng ngắt điện cơ đơn giản. Gồm 2 phần
chính là cuộn hút và các tiếp điểm.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 24/40

• Cuộn hút: tạo ra năng lượng từ trường để hút tiếp điểm về phía mình.
Tùy vào điện áp làm việc mà người ra chia Relay ra DC: 5 V, 12 V, 24 V
và AC: 110 V, 220 V.
• Các tiếp điểm: khi không có từ trường (không cấp điện cho cuộn dây)
tiếp điểm 1 được tiếp xúc với 2 nhờ lực của lò xo. Tiếp điểm thường
đóng. Khi có năng lượng từ trường thì tiếp điểm 1 bị hút chuyển sang 3.
Relay có thể có 1 cặp tiếp điểm, 2 cặp hoặc nhiều hơn.
Thông số kĩ thuật
• Điện áp điều khiển: 5 V.
• Dòng điện cực đại: 10 A.
• Thời gian tác động: 10 ms.
• Nhiệt độ hoạt động: -45 ℃ ~ 75 ℃.
• Thông số 10A – 250VAC: cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm
của relay với hiệu điện thế <= 250 V (AC) là 10 A. Tương tự cho: 10A –
125VAC, 10A – 30VDC, 10A – 28VDC.
• SRD-05VDC-SL-C: hiệu điện thế kích tối ưu là 5 V.

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh


Trang 25/40

Hình 1-13: Sơ đồ mặt cắt Relay 5VDC

Ứng dụng
• Nhìn chung, công dụng của Relay là “dùng một năng nhỏ để đóng ngắt
năng lượng lớn hơn”.
• Relay được dùng khá thông dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ
và bật tắt đèn chiếu sáng tự động.

1.1.11 Module cảm biến ánh sáng

Mô hình gara ôtô trong nhà thông minh