ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TOÀ NHÀ BẰNG VI  XỬ LÝ 89C51, thuyết minh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TOÀ NHÀ BẰNG VI  XỬ LÝ 89C51, ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TOÀ NHÀ BẰNG VI  XỬ LÝ 89C51

MỤC LỤC

PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Chương I: Tổng quan về đề tài và phương án thiết kế thi công................... 1

1. Yêu cầu của đề tài............................................................................ 1
2. Hướng thực hiện đề tài.................................................................... 2
3. 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

     III.  Mạch phát hiện cháy.............................................................................. 10

                   1.  Tế bào quang điện...................................................................... 10

                   2.  Quang điện trở............................................................................ 10

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

     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

1. Tổng quan về đề tài.......................................................................... 15
   1. Sơ lược về đề tài......................................................................... 15
   2. Các khối chức năng.................................................................... 17
2. 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 bị............................................... 20
   4. Mạch nguồn cung cấp................................................................ 21
   5. Mạch hiển thị nhiệt độ bằng   LED 7 đoạn............................. 22
   6. Công tắc đóng ngắt thiết bị 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 lý............................................................................. 61

     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

1. Tổng quan về mạng máy tính............................................................... 77

1. Các yếu tố của mạng máy tính....................................................... 77
2. Phân loại mạng máy tính................................................................. 78
3. Đường truyền vá các  thiết bị dùng  trong mạng máy tính78

2. Giao tiếp nối tiếp.................................................................................... 81

1. Đặc điểm các chuẩn RS-232, RS-422, RS-485............................ 82
   1. RS-232......................................................................................... 82
   2. RS-422......................................................................................... 83
   3. RS-485......................................................................................... 83
2. Các phương thức truyền thông....................................................... 83
3. 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

1. Cổng RS-232..................................................................................... 86
2. Chip thu phát bất đồng bộ-Vi mạch UART (Universal Asynchronous Receiver) 8250A/16450............................................................................................................ 88
3. Truyền nhận dữ liệu qua cổng nối tiếp......................................... 89

Chương III: chương trình  truyền thông bằng ngôn ngữ visual basic 6.0

1. Tổng quan về Visual Basic............................................................. 90
2. Truyền thông nối tiếp dùng visual basic...................................... 92
3. Phần giao diện.................................................................................. 101

 

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 bị 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 bị 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 bị 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 dịch 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 bị 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 bị” không chỉ đề cập đến các dụng cụ trong nhà bếp, thiết bị video/audio, các hệ thống có thể dịch chuyển , các thiết bị chiếu sáng, thiết bị 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 dịch 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:

• Vai trò của các thiết bị trong nhà thông minh: hầu hết các thiết bị trong nhà đều có vỏ bằng nhựa hay kim loại. Một vài thiết bị vận hành độc lập với các thiết bị khác. Tuy nhiên cũng có những dụng cụ cần có một thiết bị khác điều khiển nó. Các thiết bị trong ngôi nhà thông minh đều có thể truyền dữ liệu. Ta sẽ nhóm các thiết bị 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 bị nước nóng khi chúng cần đến.
• Sự hợp nhất các chuẩn truyền thông: các thiết bị 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.

5. Yêu cầu của đề tài mà em được giao:

• Thiết kế phần cứng mạch báo cháy tự động.
• Mạch động lực điều khiển thiết bị 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 trị 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 bị.

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 lý em thiết kế có những chức năng sau:

• Đo nhiệt độ hiện tại trong phòng hiển thị 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 bị 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 bị 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 bị 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 bị đó đang đóng hay mở. Khi người dùng nhấn nút tương ứng thì tùy vào trạng thái của thiết bị mà vi xử lý sẽ kích đóng hay ngắt thiết bị 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 ( 15^oC 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 bị 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 bị trong phòng theo phương pháp thông thường sẽ không kinh tế và tiết kiệm. Ta cần phải làm sao để tiết kiệm cho được càng nhiều càng tốt. Cho nên để tránh lãng phí ta nên điều khiển các thiết bị bằng máy tính. Chỉ cần một nhân viên cũng có thể tắt hay mở thiết bị trong từng phòng. Nếu ta tắt các thiết bị bằng tay thì sẽ không kinh tế, khi khách ra khỏi phòng mà quên tắt các thiết bị  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 bị thông qua vi xử lý, đồng lưu trữ trạng thái các thiết bị trước đó.

....................................................

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 định

_ 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 thị 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 bị 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.

1. 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.

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 t₁ sẽ dẫn đến việc đo sức điện động của cặp nhiệt điện khi giữ cố định 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 trị, tính chất nhiệt điện không thay đổi, độ bền hóa học và cơ học phải cao, dẫn nhiệt tốt,  có trị số suất điện động nhiệt lớn.

Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn đặc biệt và đặt trong thiết bị bảo vệ nhằm tránh bị ăn mòn hóa học, thiết bị này được chế tạo từ vật liệu bền cơ  học, không thấm khí, không bị ăn mòn.

Thiết bị trên thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt. Đối với cặp nhiệt điện quí , ống bảo vệ chế tạo bằng thạch anh và gốm. Để cách điện người ta dùng Amian (300⁰C ), ống thạch anh ( với 1000⁰C ) hoặc ống sứ đến 140⁰C.

2. 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:

S_T  » A+2Bt +3Ct

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 dịch 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 vị 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:

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 thị trường hiện nay. Với IC thông dụng hiện nay là LM335.

 

2.    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 trị nào đó thì bộ cảm biến  sẽ nhận dạng được và phát ra tín hiệu báo động.

1. 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 bị 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.

s=e(nm_n + pm_p )

n và p : là mật độ electron và lỗ trống

m_n , m_p : 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.

5. Các đặc tính quan trọng của một điện trở  quang :  Điện trở quang có ba đặc tính quan trọng:

Ÿ   Độ  dẫn suất ( s_phot ):

Là hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng :

s_phot (u); l=const.

Ÿ  Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ:

Đó chính là sự thay đổi dẫn suất s_phot hàm số của l khi mật độ năng lượng không thay đổi :

.....................................

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 định  là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65 % trị số cuối cùng khi được chiếu sáng từ  0 lux sang 10 lux.

Thời gian trễ được xác định là khoảng thời gian cần thiết để một quang trở thay đổi còn 35% giá trị 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.

5. Các đặc tính quan trọng khác của điện trở  quang:
6. Tiếng ồn –NEP.
7. Hệ số nhiệt độ của quang trở
8. Điện trở tối ( Dark Reasistance )
9. Đặc tính độ dốc
10. Điện thế hoạt động
11. Công suất tiêu tán cao nhất
12. Độ nhạy R[VW^-1)
13. Điện trở quang với sự gia tăng độ di động m_n,p
14. Điện trở quang với vật liệu không pha tạp chất

1. 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 bị 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 a, tia b, tia g, 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 bị thu các suất phẩm của quá trình ion hóa để tạo thành dòng  điện. Thiết bị 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 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 a. Dòng quang điện thường rất nhỏ( 10^-3 _10^-7 )mA. 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 ) MW, 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 bị 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  trị 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 định nồng độ khói nhất định để thiết bị hoạt động chính xác.

2.  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 bị  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,…

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.

3.  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 định 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 định 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 định bởi dạng thức hình học, kích thước và phương của tinh thể  và có thể diễn tả bởi công thức sau:

...........................................

c: Độ lớn đàn hồi, phụ thuộc vào phương tinh thể.

r: Trọng lượng riêng của thạch anh.

l: Kích thước của bản thạch anh theo phương truyền động.

n: Số nguyên ; 1<n <5.

 Khi 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:

 x

Đối với bản thạch anh, Q có giá trị rất cao, thường từ 10⁴ đến 10⁵. Phương của dao động thạch anh so với trục của tinh thể xác định 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         va        f₂  ; 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 trị giá:

      ; f:KHz

n: số nguyên ≤ 5

_ Với những lực cắt khác được sử dụng : Tần số dao động cơ luôn luôn tỉ lệ nghịch 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.

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

 Một nhánh L, R, C. Các phần tử này có giá trị được xác định 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 KW đến vài chục KW.

_ Một nhánh gồm điện dung C₀ đó là điện dung được hình thành bởi các điện cực kim  loại có giá trị khoảng: 1 đến 100 pF, tỉ số C/C₀ có giá trị 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 f_s:        
                        f_s=

_  Cộng hưởng song song, giữa C₀ và nhánh L, C, R tần số f_p:

f_p=

Các tần số này rất gần nhau: (f_p-f_s)/f_s = C/2C₀

1. 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: 

_ Một sự thay đổi các giá trị 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

   /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:

 =a.f₀

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

Lực cắt LC thường dùng đối với bản thạch anh dùng làm cảm biến đo nhiệt độ.

2. 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 e_m:

e_m=E_mcosW_m t với W_m= 2 f_m

f_m=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.

            e_r=E_rcosW₀t(W₀=2 f₀)
Các tín hiệu e_m, e_r được đưa vào mạch thay đổi tần số, mạch nhân chẳng hạn, sẽ tạo nên tín hiệu V’₀ :

V’₀=Ke_me_r=E’₀[ cos(W_m-W₀)t+cos (W_m+W₀)t]

Với một mạch lọc thông thấp qua nó giới hạn tần số cao ở đầu ra:

V₀=E₀cos(W_m-W_r)t=E₀ cos 2. .  f.t

Một bộ đệm tần số cho phép xác định 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.

............................................................................................

PHẦN II

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHÀ CAO TẦNG DÙNG VI XỬ LÝ 89C51

 

A. Thiết kế mạch :

1. Tổng quan  về đề tài:

1. Sơ lược về đề tài:

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

..............................................................................

2. Chức năng của từng khối:

1. 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 thị 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.

2. Khối cảm biến quang:

Dùng đề tạo một tín hiệu đưa về vi xử lý, tùy theo mức của tín hiệu này mà thiết bị sẽ biết được có trômg xâm nhập hay không.

3. Khối hiển thị nhiệt độ:

Khối này có dạng một panel hình chữ nhật được gắn trên từng phòng, nhiệt độ trong phòng sẽ được hiển thị trên panel này.

4. Mạch động lực:

Dùng để đóng các thiết bị, nhận tín hiệu kích đóng từ vi xử lý.

5. Mạch hồi tiếp trạng thái các thiết bị:

Dựa vào mức của tín hiệu hồi tiếp về mà vi xử lý sẽ biết đươc thiết bị nào đang bật, thiết bị nào đang tắt.

II. Thiết kế phần cứng

1. Mạch cảm biến quang:

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:

..................................................

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 bị đếm lầm . Để khắc phục tình trạng này ta dùng cùng lúc hai cảm biến quang đặt cách nhau ở một khoảng cách xác định. 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 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 bị:

Sơ đồ nguyên lý mạch động lực như sau:

Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:

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. Ap này sau khi qua cầu Diode chỉnh lưu sẽ được đưa trở về vi xử lý.

Tính toán mạnh như sau:

R1 = 330 W : 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 định mức như sau:

U = 220  V

P = 10 W

Þ I = 0.046 A

Ta cần lấy áp ra trong khoảng 5 V, nên chọn RW như sau:

RW  x I = 5 V

Þ RW = 5/0.046 =110 W

Chọn RW = 120 W, 5 W

Sau khi qua cầu chỉnh lưu, áp này sẽ thành áp DC, nếu cần ta dùng tụ 1000m để cho áp ra được thẳng. Qua bộ đệm LM741 để cho áp ra ổn định 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 định áp hồi tiếp về khi có nhiều thiết bị 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.

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.

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 mF (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 định và có nguy cơ chết IC.

5. Mạch hiển thị nhiệt độ bằng   LED 7 đoạn:

 Để hiển thị nhiệt độ đo được ta dùng các LED 7  đoạn để hiển thị. Dùng IC 74247 để giải mã sang LED 7 đoạn. Mạch hiển thị 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 thị 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:

.......................................................................

6. Công tắc đóng ngắt thiết bị theo yêu cầu:

Mạch này mô phỏng chức năng của 1 công tắc đóng ngắt thiết bị. Khi SW3 không được nhấn thì P2.7 ở mức cao. Vi xử lý sẽ kiểm tra chân P2.7=0 nghĩa là ta đã nhấn nút SW thì nó sẽ thực hiện một chương trình con có nhiệm vụ đóng đèn khi đèn đang tắt, và tắt đèn khi đèn 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 bị 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 bị. Cho nên chương trình điều khiển cũng không có gì gây ra phức tạm lắm. Thiết bị đóng, tín hiệu hồi tiếp về mức 1 (+5V), thiết bị 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 bị. Nó sẽ xuất tín hiệu đóng Relay cấp nguồn cho thiết bị. Ngược lại, nếu tín hiệu hồi tiếp về đang là mức 1 thì vi xử lý sẽ hiểu là yêu cầu ngắt thiết bị 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 bị thì vi xử lý sẽ phải xử lý chương trình. Ta thiết kế hai nút nhấn tương tự như thế và quy định nút nào nhấn là đóng, ngắt thiết bị.

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.

Do mạch chuông tiêu thụ dòng khá lớn, nên ta phải dùng một relay để kích đóng ngắt mạch chuông. Dòng lớn sẽ gây chết transistor khi ta dùng transistor để lái mạch chuông mà không phải dùng relay.

8. Mạch giao tiếp máy tính qua mạng RS-485

      Thông thường các họ vi xử lý có ngõ truyền thông theo mức TTL. Và các thiết bị đầu cuối khác (DTE ) có cổng truyền thông là RS_232. Để có thể nối mạng các thiết bị này ta phải chuyển từ TTL ,RS_232 sang RS_485. Để thực hiện việc chuyển đổi này  có rất nhiều vi mạch trên thị trường ,  nhưng họ vi mạch của hãng MAXIM là phổ biến nhất hiện nay. Đó là MAX 481 , MAX 483, MAX 485 , MAX 487 ,MAX 488, MAX 489  , MAX 490, MAX 1487. Tiêu biểu là vi mạch MAX 485 , nó chuyển từ mức TTL sang RS_485 , truyền theo phương pháp Half_Duplex.

....................................................................

B. Lưu đồ giải thuật và chương trình vi xử lí:

Lưu đồ giải thuật phải thực hiện được các chức năng như sau:

_ Đo nhiệt độ trong phòng và hiển thị nhiệt độ này lên Panel .

_ Nhiệt độ cao hơn 80⁰C thì báo động bằng chuông.

_ Tự phát hiện ra khi nào thì trong phòng có người thì tự bật đèn và quạt lên.

_ Tự phát hiện khi nào trong phòng không còn thì tắt các đèn và quạt đi.

_ Khi có người đi vào phòng mà không qua cửa chính thì sẽ cho đó là trộm và báo động bằng chuông

I. Lưu đồ giải thuật điều khiển :

_ Giải thuật  chương trình chính.

_ Giải thuật chương trình đo nhiệt độ và hiển thị lên Panel.

_ Giải thuật chương trình tự phát hiện người đi vào hay ra qua cử chính.

_ Giải thuật chương trình điều khiển các thiết bị trong phòng.

_ Giải thuật chương trình phát hiện người vào phòng không qua cửa chính.

_ Giải thuật chương trình truyền nhận dữ liệu từ máy tính.

1. Giải thuật chương trình chính:

Khi nút Reset được nhấn thì chương trình sẽ nhảy đến địa chỉ 0000h. Khởi  động các thanh ghi điều khiển và các ô nhớ cần thiết. Trong chương trình chính gồm có:

·          Kích khởi ADC 0809 chuyển đổi.

·          Delay chờ ADC đổi xong.

·          Đọc dữ liệu từ ADC về, xử lí và hiển thị lên LED 7 đoạn.

·          Kiểm tra tiếp trạng thái các thiết bị.

·          Kiểm tra các nút  nhấn có được nhấn hay không. Khi đã thực hiện xong chu  trình trên thì vi xử lí  sẽ  quay trở lai kích khởi ADC đổi lần tiếp theo.

·          Kiểm tra xem nhiệt độ trong phòng đang nằm trong tầm nào để gọi các chương trình con phục vụ tương ứng:

• 50⁰C£nhiệt độ £ 80⁰C: gọi chương trình con CHUONG1.
• 80⁰C £nhiệt độ  £ 100⁰C: gọi chương trình con CHUONG2.
• Nhiệt độ  ³ 100⁰C: gọi chương trình con CHUONG3.

·          Cấm ngắt truyền, chỉ cho phép vi xử lí  nhận, chỉ được phép truyền khi PC yêu cầu.

.....................................................

Hướng phát triển của đề tài
    Ngày nay trong đà phát triển chung thì nước ta sẽ ngày có thêm nhiều nhà cao tầng, để có thể quản lý được toàn bộ tòa nhà thì chỉ có phương pháp là dùng mạng kết nối các thành vìên trong từng phòng lại với nhau. Trong các chuẩn của mạng truyền thông thì mạng RS-485 được sử dụng nhiều nhất vì tính hiệu quả và kinh tế của nó.
    Để tài này có thể áp dụng được ngoài thực tế vì tính sát thực  nó. Ngoài dùng để điều khiển các thiết bị như đèn và quạt trong đề tài các kit vi xử lý còn có thể điều khiển thêm nhiều thiết bị khác . Tuy  nhiên trong thực tế sẽ có rất nhiều phòng cần được điều khiển, vì thế nếu áp dụng cách điều khiển trực tiếp từ máy tính xuống từng kit thì mạng RS-485 không thể đáp ứng được, vì có thể ta có đến vài trăm phòng, do mạng RS-485 chỉ có thể tối đa 128 slave nền ta có thể áp dụng phương pháp điều khiển phân cấp.
    Tại mỗi tầng sẽ có một master đóng vai trò trung gian trong giao tiếp giữa máy tính và các kit vi xử lý trong từng phòng. Master này sẽ chịu trách nhiệm chính trong việc phân chia thời gian truyền của các kit vi xử lý, như vậy máy tính chỉ giao tiếp với các master trung gian này mà thôi, hệ thống sẽ có tới 2 cấp điều khiển.
    Hạn chế nếu ta dùng phương pháp hỏi vòng thì chu kỳ bus sẽ dài, không đáp ứng được trong các trường hợp cần truyền về máy tính.