Đồ án hệ thống nhúng: Thiết kế hệ thống cửa tự động thông minh cho tương lai

• Người hướng dẫn: Nguyễn Tiến Duy
• Trường học: Đại học thuật công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hệ Thống Nhúng
• Đề tài: Cửa Tự Động Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thái Nguyên

• ΜUC LUC
• I. C OΝG I : GIS THIEU CHUΝG VE CPA TV DOΝG
• II. C OΝG II : PHAΝ TICH BAI TOAΝ
• 2.1. CAC YEU CAU CUA ΜO HAH CUA TQ DOΝG
• 2.2. ΝHIEΜ VU VA PHAΝ TICH ΝHIEΜ VU
• III. C OΝG III: GUI THIEU CAC THIET BI, LIΝH KIEΝ THIET KE
• 3.1. : V i ԁ iéս kհ ié n AT89C51
• 3.2. SEΝSOR CAΜ BIEΝ
• 3.3. IC ԁ iéս kհ ié n ԁօ n g cօ L298
• IV. CHWOΝG IV: THIET TOΝG QUAT PHAΝ CCG
• V. C OΝG V:SCO DO ΜACH HOAΝ C ΝH
• VI. CHUHΝG VI: THIET C DΝG TR H

I. Cửa Tự Động Thông Minh Tổng Quan Về Đồ Án Hệ Thống Nhúng

Trong xã hội hiện đại, cửa tự động đã trở thành một phần không thể thiếu trong các công trình kiến trúc. Tuy nhiên, hầu hết các loại cửa tự động hiện nay vẫn còn tồn tại những nhược điểm gây phiền toái cho người sử dụng, như việc đóng mở cửa cần có tác động của con người. Việc thiết kế ra một loại cửa thông minh tiện ích hơn, đa năng hơn, phục vụ tốt hơn cho đời sống con người là vô cùng cần thiết. Do vậy, cần phải thiết kế ra một loại cửa tự động khắc phục triệt để những nhược điểm của cửa thông thường. Xuất phát từ nhu cầu đó, đồ án hệ thống nhúng thiết kế này ra đời nhằm tạo ra một loại cửa vừa tự động vừa duy trì những yêu cầu trước đây, vừa khắc phục được những nhược điểm của cửa thông thường. Với việc sử dụng cửa tự động, người dùng không phải trực tiếp tác động lên cánh cửa mà vẫn đóng mở theo ý muốn. Với tính năng này, cửa tự động thông minh mang lại nhiều thuận lợi cho người sử dụng như: Nếu người dùng cửa đang bận khuân vác một vật gì đó thì cửa tự động không những không gây cảm giác khó chịu mà còn tạo sự thoải mái, thuận tiện hơn trong công việc, không bị cản trở. Cửa tự động rõ ràng mang lại cảm giác thoải mái cho người dùng, loại bỏ hoàn toàn cảm giác ngại ngùng khó chịu như khi dùng cửa thông thường.

Đặc biệt ở những nơi công cộng đông người, cửa tự động càng phát huy ưu điểm. Đó là cửa tự động giúp cho quá trình lưu thông qua cửa được nhanh chóng dễ dàng, cũng như sẽ giảm thiểu những va chạm khi có nhiều người cùng đi qua. Thêm vào đó, khi hệ thống máy lạnh được sử dụng thường xuyên ở các nơi công cộng đông người: Nếu ta dùng cửa thông thường thì phải giữ cho cửa luôn đóng để tránh thoát hơi lạnh ra ngoài gây lãng phí. Thế nhưng điều này lại rất khó thực hiện được vì ý thức của mỗi người ở nơi công cộng là khác nhau. Do đó, cửa tự động thông minh với tính chất là tự động đóng khi không có người qua lại đáp ứng triệt để được yêu cầu này. Chính vì những ưu điểm nổi bật của cửa tự động mà chúng ta càng phải phát triển, ứng dụng nó rộng rãi hơn, đồng thời nghiên cứu để cải tiến và nâng cao chất lượng hoạt động của cửa tự động để nó ngày càng hiện đại và tiện ích hơn. Để nghiên cứu một cách chính xác và cụ thể về cửa tự động, cần phải chế tạo ra một mô hình của cửa tự động, mô tả hoạt động, hình dáng của nó. Từ mô hình này, ta có thể quan sát và tìm hiểu hoạt động của cửa tự động, cũng như có thể lường trước được những khó khăn có thể gặp phải khi chế tạo cửa tự động trên thực tế. Cũng từ mô hình đó ta có thể thấy được ưu nhược điểm của thiết kế mà cửa tự động khắc phục những hạn chế, phát huy thêm mạnh thiết kế của cửa tự động ưu việt hơn, hoàn thiện hơn cho con người.

1.1. Giới Thiệu Các Loại Cửa Tự Động Thông Dụng Hiện Nay

Hiện nay có nhiều loại cửa tự động như: cửa kéo, cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt…

• Cửa kéo: Là loại cửa có kết cấu động ròng rọc với một động cơ được gắn cố định với thân nhà. Ưu điểm của loại cửa này là đơn giản nhưng hiệu quả, cánh cửa chắc chắn. Có những nhược điểm của loại cửa này là động cơ gắn với trần nhà vì vậy cần phải gắn đủ chắc để chịu được sức nặng của cánh cửa. Do vậy, trong thực tế người ta ít sử dụng loại cửa này do nhược điểm là phải gắn đủ chắc để chịu sức nặng nếu không sẽ gây nguy hiểm cho người sử dụng.

• Cửa cuốn: Loại cửa này có khả năng cuốn tròn lên lại được. Khi có tín hiệu điều khiển động cơ, động cơ sẽ tác động qua một trục, trục cuốn cửa cuốn trên quanh trục đó. Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, chỉ cần một động cơ nhỏ với công suất bé nhỏ.

1.2. Ưu điểm của cửa tự động so với cửa truyền thống

Cửa trượt: Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh cố định cho phép cánh cửa có thể trượt qua lại. Chất tạo rãnh trượt có nhiều loại, tùy thuộc vào hình dáng rãnh trượt như rãnh thẳng thì là loại cửa chuyển động tịnh tiến còn rãnh tròn thì là loại cửa chuyển động xoay tròn. Loại cửa này thường dùng trong các nhà hàng, khách sạn, sân bay, siêu thị… Cửa này có ưu điểm là kết cấu nhẹ nhàng tạo cảm giác thoáng đạt, thoải mái và lịch sự.

Chính vì những ưu điểm nổi bật của cửa tự động mà chúng ta càng phải phát triển ứng dụng nó rộng rãi hơn, đồng thời nghiên cứu để cải tiến và nâng cao chất lượng hoạt động của cửa tự động để nó ngày càng hiện đại và tiện ích hơn.

II. Phân Tích Bài Toán Thiết Kế Đồ Án Cửa Tự Động Hệ Thống Nhúng

Thiết kế mô hình hệ thống cửa tự động đang dần trở nên phổ biến, sử dụng cảm biến.

• Kích thước gọn gàng.
• Hệ thống có hoạt động tốt.
• Hệ thống điện ổn định, hoạt động đúng theo thiết kế.
• Hệ thống cửa thông minh đáp ứng mọi yêu cầu đặt ra. Yêu cầu về cơ khí: Yêu cầu của thiết kế là phải giống với cửa thật cả về hình thức lẫn chất lượng hoạt động, phải chắc chắn gọn gàng. Do đó, việc cho mô hình cửa thông minh phải đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật như đối với cửa thật: khung cửa, cánh cửa, rãnh trượt, xích, bánh răng.

2.1. Các Yêu Cầu Kỹ Thuật Của Mô Hình Cửa Tự Động

Động cơ là loại động cơ một chiều được cấp nguồn bởi bộ chỉnh lưu một chiều và kết hợp với bộ đảo chiều cho phép động cơ có thể quay thuận hoặc quay ngược.

• Nghiên cứu, chế tạo ra mô hình có loại cửa tự động này giúp cho sinh viên có nhiều hiểu biết sâu sắc về lĩnh vực điều khiển tự động và có thể nắm bắt được nhiều kiến thức thực tế về các ngành nghề như: điện tử, điện, cơ khí.

2.2. Phân tích nhiệm vụ cần thực hiện

Việc tạo ra mô hình hoạt động tốt sẽ tạo điều kiện cho sinh viên có cơ hội học tập và nghiên cứu một cách thực tế là một cơ hội rất tốt giúp sinh viên không bị bỡ ngỡ khi làm việc thực tế.

Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế mô hình cửa tự động dùng AT89C51 để làm cửa tự động. Để làm cửa tự động ta cần biết:

Biết cách đọc và dịch datasheet của các IC để biết nguyên lý hoạt động và chức năng của chúng.

Lập trình rành dùng vi điều khiển AT89C51. Lập trình tự để làm một sản phẩm thực tế là:

Bước 1: Đi khảo sát thị trường, tham dò những nhu cầu của người sử dụng như mong muốn thiết kế có công nghệ theo kiểu dáng nào, khối lượng có bao nhiêu, vận hành như thế nào.

Bước 2: Nếu các yêu cầu về cửa tự động mà thị trường đang cần và bắt đầu tiến hành thiết kế mô hình sản phẩm.

III. Giới Thiệu Các Thiết Bị Linh Kiện Thiết Kế Cửa Tự Động Nhúng

Trong quá trình thiết kế hệ thống nhúng, việc lựa chọn các thiết bị và linh kiện phù hợp là vô cùng quan trọng. Dưới đây là một số thành phần chính được sử dụng trong đồ án cửa tự động:

• Vi điều khiển AT89C51: Đây là bộ não của hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu từ cảm biến, điều khiển động cơ và các thiết bị khác.
• Cảm biến hồng ngoại: Được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của người hoặc vật thể, kích hoạt quá trình mở cửa tự động.
• IC điều khiển động cơ L298: Giúp điều khiển chiều và tốc độ của động cơ DC, đảm bảo cửa đóng mở một cách chính xác và an toàn.

Việc lựa chọn các linh kiện này dựa trên tính năng, hiệu suất và khả năng tương thích với các thành phần khác trong hệ thống.

3.1. Vi Điều Khiển AT89C51 Bộ Não Của Hệ Thống Nhúng

Chân 30 (ALE: Address Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra, nó cho phép phân kênh bus địa chỉ và bus dữ liệu của port 0.

Chân 31 (EA: External Access) được đưa xuống mức thấp cho phép chọn bộ nhớ ngoài.

32 chân còn lại chia làm 4 cổng vào ra: Vào ra tích cực logic.

P2 từ chân 21 đến chân 28 tương ứng là các chân P2.0 đến P2.7.

P3 từ chân 10 đến chân 17 tương ứng là các chân P3.0 đến P3.7. Riêng cổng 3 có 2 chức năng mỗi chân như trên hình H1:

P3.0—RxD: chân nhận dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp RS232.

3.2. IC Ổn Áp 7805 Đảm Bảo Nguồn Điện Ổn Định Cho Vi Điều Khiển

Đối với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định điện áp quá cao, sử dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.

Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp 7805:

IC ổn áp 7805 : Đầu vào 7V điều ra 5V 500mA.

Mạch ổn áp: Dùng cho VDK vì nếu nguồn cho VDK không ổn định thì sẽ treo VDK, không chạy đúng, hoặc reset liên tục, thậm chí là chết chip.

3.3. Giới thiệu về ADC 0804

Một số đặc tính kỹ thuật của ADC 0804 Không yêu cầu một giao diện logic nào để ghép nối với VXL Thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 100µs Có bộ dao động nội Nguyên lý hoạt động của ADC 0804: ADC bắt đầu hoạt động khi chân CS và WR đồng thời ở mức thấp ( tích cực). Chân INTR được reset để ở mức cao ( không tích cực ) Tín hiệu analog đưa vào các chân Vin (+), Vin (-). Sau đó chân INTR được chuyển xuất ra mức thấp ( tích cực) báo hiệu cho vi điều khiển quá trình chuyển đổi ADC đã hoàn tất. Vi điều khiển đưa tín hiệu mức thấp vào chân RD của 0804 để lấy dữ liệu ra (Chân RD và CS có thể được nối đất).

IV. Thiết Kế Tổng Quan Và Phân Chia Chức Năng Hệ Thống

Để xây dựng một hệ thống cửa tự động thông minh hoàn chỉnh, cần có sự phân chia chức năng rõ ràng giữa các khối. Điều này giúp cho việc thiết kế, xây dựng và bảo trì hệ thống trở nên dễ dàng hơn. Các khối chức năng chính bao gồm:

• Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống.
• Khối cảm biến: Phát hiện người hoặc vật thể và gửi tín hiệu đến vi điều khiển.
• Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển nhận và xử lý tín hiệu, đưa ra lệnh điều khiển.
• Khối điều khiển động cơ: Điều khiển động cơ để đóng/mở cửa.

4.1. Sơ Đồ Khối Tổng Quan Của Hệ Thống Cửa Tự Động

Khối nguồn cho VDK: Nguồn nuôi DC của vi điều khiển IN nguồn DC 5V, sau khi qua biến áp 12V, điện áp xoay chiều 220V sẽ còn 12V và được đưa qua chỉnh lưu thành dòng 1 chiều, sau khi qua IC ổn áp 7805,điện áp ra còn 5V và được đưa vào vi điều khiển.

Đầu vào là điện áp xoay chiều sau khi được biến đổi qua máy biến thế, đưa vào bộ Diode cầu để cho ra dòng điện một chiều( lúc này điện áp tầm trong khoảng từ 7-10V). Sau khi đi qua IC ổn áp 7805 sẽ tạo ra nguồn điện áp chuẩn 5V cung cấp cho mạch.

4.2. Khối Thu Hồng Ngoại Cảm Biến Phát Hiện Chướng Ngại Vật

Khối này gồm một thu hồng ngoại U5 có vỏ bọc bằng kim loại để chống nhiễu. Hình dáng bên ngoài như hình trên Cấu tạo bằng chất bán dẫn có 3 chân: Chân 1 đưa tín hiệu ra Chân 2 nối mass (GND) Chân 3 nối nguồn +5V (VCC)

4.3 Diễn tả hệ thống FSM

4.4 Sơ đồ Call graph