Nghiên Cứu Thiết Kế Mạch Tự Động Đóng Mở Cửa Sử Dụng Vi Xử Lý 8051 Trong Khoá Luận Tốt Nghiệp

Nghiên cứu thiết kế mạch tự động đóng mở cửa sử dụng vi xử lý 8051, ứng dụng công nghệ hiện đại trong điều khiển tự động, phù hợp cho khóa luận tốt nghiệp.

• Tác giả: Hoàng Đức Mạnh
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Trọng Thắng
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế mạch tự động đóng mở cửa sử dụng vi xử lý 8051
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG, YÊU CẦU, KẾT CẤU CƠ KHÍ VỀ CỬA ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG
• 1.1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI CỬA TỰ ĐỘNG
• 1.1.1. Cửa cuốn
• 1.1.2. Cửa trượt
• 1.2. CÁC YÊU CẦU CỦA CỬA TỰ ĐỘNG
• 1.2.1. Yêu cầu về chương trình chung
• 1.2.2. Yêu cầu về cơ khí
• 1.3. KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA CỬA TỰ ĐỘNG
• 1.3.1. Khung mô hình cửa tự động
• 1.3.2. Cơ cấu truyền động của cửa tự động
• 1.3.3. Cánh cửa
• 1.3.4. Thanh ray
• 1.3.5. Con lăn
• 1.3.6. Puly
• 1.3.7. Rãnh trượt dưới
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN, THIẾT BỊ, PHẦN MỀM SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG CỬA ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG
• 2.1. Vi điều khiển AT89C52
• 2.1.1. Một số đặc tính
• 2.1.2. Sơ đồ khối của AT89C52
• 2.1.3. Sơ đồ chân của AT89C52
• 2.1.4. Chức năng của các chân AT89C52
• 2.1.5. Các chế độ đặc biệt
• 2.1.6. Các bit nhớ bộ khóa chương trình
• 2.2. IC tạo ổn áp 7805 (IC ổn áp 5v)
• 2.2.1. Sơ đồ IC 7805
• 2.2.2. Mạch nguồn ổn áp 5V của IC 7805
• 2.2.3. Mạch điện nguồn nuôi
• 2.2.4. Mạch điện ổn định ở mức +5V cấp cho chíp AT89C52
• 2.3. Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC
• 2.3.1. Giới thiệu về ADC 0804
• 2.4. PHẦN MỀM
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG HỆ VI XỬ LÝ AT89C52
• 3.1. SƠ LƯỢC CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI
• 3.2. ĐẶC TẢ HỆ THỐNG FSM
• 3.3. SƠ ĐỒ MẠCH HOÀN CHỈNH
• 3.4. CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN AT89C52
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế mạch

Phần này tập trung vào thiết kế mạch tự động đóng mở cửa sử dụng vi xử lý 8051. Mạch được thiết kế để điều khiển cửa tự động một cách chính xác và hiệu quả. Các yếu tố như kích thước, độ bền và tính ổn định của mạch được xem xét kỹ lưỡng. Mạch tự động này không chỉ đảm bảo tính năng đóng mở cửa mà còn tích hợp các cảm biến để phát hiện vật cản, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

1.1. Cấu trúc mạch

Cấu trúc mạch bao gồm các thành phần chính như vi xử lý 8051, cảm biến, động cơ và các linh kiện điện tử hỗ trợ. Vi xử lý 8051 đóng vai trò trung tâm, điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống. Các cảm biến được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của người hoặc vật, từ đó kích hoạt quá trình đóng mở cửa.

1.2. Tính toán thông số

Các thông số kỹ thuật như điện áp, dòng điện và tốc độ động cơ được tính toán chi tiết để đảm bảo mạch hoạt động ổn định. Kỹ thuật điện được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của mạch, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ của thiết bị.

II. Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển là trung tâm của mạch tự động đóng mở cửa. Hệ thống này sử dụng vi xử lý 8051 để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển động cơ. Ứng dụng vi xử lý trong hệ thống này giúp tăng độ chính xác và tốc độ phản hồi của cửa tự động.

2.1. Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu bằng vi xử lý 8051, và điều khiển động cơ để đóng mở cửa. Công nghệ tự động hóa được áp dụng để đảm bảo quá trình này diễn ra liên tục và không cần sự can thiệp của con người.

2.2. Tối ưu hóa hệ thống

Hệ thống được tối ưu hóa để giảm thiểu thời gian phản hồi và tăng độ chính xác. Thiết bị điện tử như IC ổn áp và bộ chuyển đổi ADC được sử dụng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.

III. Ứng dụng thực tế

Ứng dụng vi xử lý trong thiết kế mạch tự động đóng mở cửa mang lại nhiều lợi ích thực tế. Hệ thống này có thể được sử dụng trong các tòa nhà văn phòng, khách sạn, siêu thị và các khu vực công cộng khác. Công nghệ tự động hóa giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người sử dụng.

3.1. Lợi ích kinh tế

Việc sử dụng mạch tự động giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì. Thiết bị điện tử được thiết kế để có tuổi thọ cao và ít hỏng hóc, giúp tiết kiệm chi phí trong dài hạn.

3.2. Tính thẩm mỹ và tiện ích

Cửa tự động không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn tăng tính thẩm mỹ cho không gian sử dụng. Hệ thống điều khiển được thiết kế để hoạt động êm ái và không gây tiếng ồn, tạo sự thoải mái cho người sử dụng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất lao động và cải thiện chất lượng đời sống xã hội. Tại các công trình công cộng và thương mại hiện đại như tòa nhà văn phòng, khách sạn, bệnh viện, sân bay, nhà ga và trung tâm mua sắm, mật độ người lưu thông qua lại mỗi ngày là rất lớn. Việc sử dụng các loại cửa truyền thống đòi hỏi lực tác động cơ học đóng mở bằng tay bộc lộ nhiều bất tiện, làm gián đoạn việc di chuyển của người mang vác hành lý hoặc hàng hóa, đồng thời gây thất thoát nhiệt lượng từ hệ thống điều hòa không khí. Hệ thống cửa tự động ra đời nhằm giải quyết triệt để các vấn đề này thông qua cơ chế tự động nhận diện đối tượng và kích hoạt chuyển động không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.

Đề tài "Nghiên cứu thiết kế mạch tự động đóng mở cửa tự động sử dụng vi xử lý 8051" được thực hiện bởi sinh viên Hoàng Đức Mạnh (lớp ĐC1802, ngành Điện Tự động công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Thắng vào năm 2018. Mục tiêu của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh mô hình hệ thống cửa trượt tự động bao gồm cả kết cấu cơ khí, mạch điện tử điều khiển và chương trình nhúng.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về các dạng cửa tự động (cửa cuốn, cửa trượt, cửa đẩy, cửa kéo) và kết cấu cơ khí truyền động tiêu chuẩn.
2. Khảo sát nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của các linh kiện điện tử: vi điều khiển họ 8051 (AT89C52), cảm biến hồng ngoại, bộ chuyển đổi tương tự - số ADC0804, mạch công suất cầu H L298 và động cơ điện một chiều.
3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý các khối chức năng phần cứng (khối nguồn ổn áp, khối vi điều khiển, khối thu phát hồng ngoại, khối tạo dao động, khối reset và khối nút bấm điều khiển chế độ).
4. Xây dựng giải thuật điều khiển phân cấp tốc độ thông minh ($v_1, v_2, v_3$) và lập trình phần mềm điều khiển trên nền tảng hợp ngữ (Assembly), mô phỏng hoạt động trên phần mềm Proteus.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cửa trượt tự động hai cánh truyền động bằng động cơ điện một chiều 12VDC. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc tính toán thiết kế phần cứng, gia công mô hình cơ khí thực nghiệm và lập trình điều khiển nhúng trên vi điều khiển AT89C52.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài tích hợp cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện, điện tử và điều khiển tự động:

• Lý thuyết truyền động điện một chiều: Ứng dụng mô hình toán học cân bằng điện áp mạch phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập: $$U_ư = E_ư + (R_ư + R_f)I_ư$$ Trong đó $U_ư$ là điện áp phần ứng, $E_ư$ là suất điện động phần ứng, $R_ư$ là điện trở phần ứng ($R_ư = r_ư + r_{ct} + r_b + r_{tx}$), $R_f$ là điện trở phụ, và $I_ư$ là dòng điện phần ứng. Đề tài lựa chọn giải pháp đảo chiều quay động cơ bằng cách đảo chiều dòng điện phần ứng $I_ư$ thông qua mạch cầu H và điều khiển thay đổi tốc độ bằng phương pháp điều chế điện áp phần ứng $U_ư$.
• Lý thuyết chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): Cơ chế lượng tử hóa tín hiệu điện áp từ cảm biến với hàm truyền đổi: $$D_{out} = \frac{V_{in}}{\text{Kích thước bước}}$$
• Lý thuyết quang điện tử và cảm biến hồng ngoại: Ứng dụng bức xạ sóng điện từ bước sóng dài ($\lambda = 940\text{ nm}$) kết hợp nguyên lý giải điều chế sóng mang quang 38kHz để phát hiện vật cản.
• Kiến trúc hệ vi điều khiển 8-bit: Kiến trúc bộ nhớ vi xử lý 8051/MCS-51, không gian định tuyến thanh ghi, cơ chế ngắt ngoài (INT0) và quản lý I/O.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm kỹ thuật:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất linh kiện bán dẫn (Atmel, National Semiconductor, STMicroelectronics).
• Phương pháp tính toán - thiết kế mạch: Xác định thông số các linh kiện thụ động (R, C), linh kiện ổn áp, mạch bảo vệ chống tự kích dao động và mạch khử nhiễu tín hiệu.
• Phương pháp mô hình hóa cơ khí: Thiết kế và gia công cơ cấu truyền động cơ khí gồm ray dẫn hướng, con lăn, puli và dây đai.
• Phương pháp mô phỏng số: Thiết kế mạch in và kiểm thử giải thuật trên môi trường Proteus (ISIS và ARES).

Nguồn dữ liệu của đề tài được trích xuất từ các bảng thông số kỹ thuật (datasheet) chuẩn quốc tế của các vi mạch AT89C52, ADC0804, L298D, LM7805, LM358, cảm biến quang PNA4602M và các giáo trình chuyên ngành Điện Tự động hóa.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân cấp rõ ràng, đảm bảo tính liên kết chặt chẽ giữa các khối chức năng:

[Khối Nguồn 220VAC -> 12VDC & 5VDC]

1. Kiến trúc phần cứng và các khối chức năng

• Khối nguồn cấp: Sử dụng máy biến áp hạ áp từ 220VAC xuống 12VAC, qua cầu chỉnh lưu 4 diode 1N4007 kết hợp tụ lọc hóa $C_1 = 1000\ \mu\text{F}$ để tạo điện áp một chiều 12VDC cấp cho động cơ. Đường nguồn 5VDC ổn định cấp cho vi điều khiển và mạch logic được xử lý qua IC ổn áp 7805 kết hợp tụ hóa $C_2 = 10\ \mu\text{F}$ nhằm triệt tiêu dao động tự kích.
• Khối vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển 8-bit AT89C52 hoạt động với mạch dao động thạch anh ngoại kèm 2 tụ gốm $33\text{ pF}$. Mạch reset tự động khi cấp nguồn sử dụng tổ hợp linh kiện $R_1 = 10\ \Omega$, $R_2 = 220\ \Omega$ và $C = 10\ \mu\text{F}$.
• Khối cảm biến phát hiện vật thể: Sử dụng cặp thu - phát hồng ngoại. Mắt phát sử dụng diode hồng ngoại bước sóng $\lambda = 940\text{ nm}$, góc phát $40^\circ$, công suất tiêu tán $200\text{ mW}$. Mắt thu sử dụng sensor PNA4602M có vỏ bọc kim loại chống nhiễu, làm việc tại tần số sóng mang $38\text{ kHz}$. Tín hiệu từ cảm biến được đưa qua bộ khuếch đại thuật toán LM358P để so sánh điện áp chuẩn, lọc qua mạng RC ($R_{50}, C_{21}$) trước khi đưa vào chân ngắt ngoài INT0 (P3.2) của AT89C52.
• Khối biến đổi ADC0804: Bộ biến đổi tương tự - số 8-bit, thời gian chuyển đổi $110\ \mu\text{s}$, tạo xung dao động nội thông qua điện trở $R = 10\text{ k}\Omega$ và tụ $C = 150\text{ pF}$ cho tần số xung nhịp $f = 606\text{ kHz}$.
• Khối công suất điều khiển động cơ: Sử dụng IC mạch cầu H tích hợp L298D, cho phép chịu điện áp làm việc lên đến 46V và dòng điện cực đại 4A. Mạch điều khiển cho phép đảo chiều quay của động cơ DC 12V và thay đổi tốc độ thông qua các tín hiệu logic IN1, IN2 kết hợp chân kích hoạt độ rộng xung Enable (ENA/ENB).
• Khối điều khiển thủ công: Bố trí 3 nút bấm tác động logic mức thấp nối với các chân I/O để thực hiện các chức năng: Dừng khẩn cấp, Đóng/Mở thuận, Đóng/Mở nghịch.

Linh kiện / Thiết bị	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
AT89C52	8KB Flash ROM, 128B RAM, 32 chân I/O, tần số 0-24MHz	Vi điều khiển trung tâm xử lý thuật toán
L298D	Cầu H kép, dòng DC cực đại 4A, áp cấp tới 46V, tương thích TTL	Điều khiển đảo chiều và điều tốc động cơ
ADC0804	Độ phân giải 8-bit, thời gian chuyển đổi $<110\ \mu\text{s}$, $f_{clk}=606\text{ kHz}$	Chuyển đổi tín hiệu cảm biến dạng liên tục
LM7805	Điện áp vào $>7\text{V}$, điện áp ra ổn định $+5\text{VDC} \pm 5%$, dòng 500mA	Cấp nguồn nuôi cho VĐK và mạch logic
PNA4602M	Tần số sóng mang $38\text{ kHz}$, vỏ kim loại chống nhiễu	Thu nhận tín hiệu quang hồng ngoại
Diode phát IR	Bước sóng bức xạ $\lambda = 940\text{ nm}$, góc mở $40^\circ$, $P=200\text{ mW}$	Phát chùm tia hồng ngoại quét vùng cửa
1N4007	Dòng thuận $1\text{A}$, điện áp ngược cực đại $1000\text{V}$	Chỉnh lưu cầu biến đổi AC sang DC
Động cơ DC	Điện áp định mức 12VDC, kích từ độc lập	Kéo cánh cửa chuyển động qua dây đai

2. Kết cấu cơ khí mô hình

Kết cấu cơ khí của cửa trượt được tính toán và gia công với các thành phần:

• Khung mô hình định hình chịu lực.
• Thanh ray dẫn hướng bằng thép chịu mài mòn.
• Con lăn truyền động gia công bằng sắt, gắn vòng bi chuyển động êm.
• Hệ thống puli sắt và dây curoa truyền động răng cưa chống trượt.
• Rãnh trượt dẫn hướng phía dưới bằng thanh nhôm định hình giữ cánh cửa không bị lắc ngang.

3. Quy trình vận hành và thuật toán điều khiển

Chương trình nhúng được biên dịch từ hợp ngữ Assembly thực thi chu trình điều khiển phân cấp vận tốc:

1. Trạng thái chờ: Cửa ở vị trí đóng hoàn toàn, vi điều khiển liên tục quét tín hiệu ngắt ngoài từ cảm biến.
2. Kích hoạt mở: Khi có người hoặc vật thể đi vào vùng phủ hồng ngoại, tín hiệu kích hoạt ngắt INT0. Động cơ lập tức quay thuận với vận tốc lớn nhất $v_1$ để mở nhanh cánh cửa.
3. Giảm tốc mở: Khi cánh cửa chuyển động gần hết hành trình mở, vi điều khiển điều chỉnh giảm tốc độ xuống mức $v_3$ (vận tốc nhỏ nhất) để dừng êm và chính xác tại công tắc hành trình cuối.
4. Trễ duy trì: Hệ thống dừng và duy trì trạng thái mở trong khoảng thời gian trễ cố định là 5 giây để người đi qua an toàn.
5. Kích hoạt đóng: Sau 5 giây, nếu không còn tín hiệu phát hiện vật thể, động cơ quay ngược với vận tốc $v_2$ để đóng cửa nhanh.
6. Giảm tốc đóng & An toàn va chạm: Gần cuối hành trình đóng, vận tốc tiếp tục giảm xuống mức $v_3$ để hai cánh cửa tiếp xúc êm, không gây va đập cơ khí. Trong suốt quá trình đang đóng, nếu cảm biến ghi nhận có vật cản xuất hiện trở lại, hệ thống lập tức đảo chiều quay động cơ và chuyển ngay sang quy trình mở cửa khẩn cấp.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung, yêu cầu, kết cấu cơ khí về cửa đóng mở tự động

Chương này tổng quan về vai trò của tự động hóa trong đời sống và phân loại các hệ thống cửa tự động phổ biến hiện nay: cửa cuốn (cuộn quanh trục, gọn nhẹ, dùng cho gara nhưng độ bền cơ khí hạn chế), cửa trượt (trượt trên rãnh ray, vận hành êm ái, giữ nhiệt tốt, phổ biến tại trung tâm thương mại), cửa đẩy và cửa kéo.

Tác giả xác định các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt đặt ra cho hệ thống cửa trượt mô hình:

• Tiêu chuẩn động học: Mở nhanh ở vận tốc $v_1$, giảm tốc êm xuống $v_3$ trước khi dừng; thời gian trễ mở là 5 giây; đóng nhanh ở vận tốc $v_2$, giảm tốc về $v_3$ trước khi khép kín; cơ chế tự động mở lại ngay lập tức khi phát hiện chướng ngại vật trong hành trình đóng.
• Yêu cầu cơ khí: Gia công chi tiết các cấu kiện cơ khí thực tế gồm khung treo, thanh ray bằng thép, con lăn sắt dẫn động, puli sắt, dây curoa chịu lực và rãnh trượt dẫn hướng bằng nhôm.
• Yêu cầu điện - điện tử: Động cơ DC 12V đảo chiều quay linh hoạt, mạch nguồn ổn định và chống nhiễu cao.

Chương 2: Giới thiệu các linh kiện, thiết bị, phần mềm sử dụng trong hệ thống cửa đóng mở tự động

Nội dung chương 2 tập trung khảo sát cấu tạo, sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của các thành phần phần cứng và phần mềm:

• Vi điều khiển AT89C52: Khảo sát chi tiết 40 chân DIP, chức năng 4 cổng I/O 8-bit (Port 0 đến Port 3), hệ thống 5 vectơ ngắt, 3 bộ Timer/Counter 16-bit, các chế độ tiết kiệm năng lượng (Chế độ nghỉ - Idle Mode và Chế độ nguồn giảm - Power Down Mode) cùng các bit khóa bộ nhớ chương trình (LB1, LB2, LB3).
• Bộ chuyển đổi ADC0804: Phân tích nguyên lý làm việc của các chân điều khiển $\overline{\text{CS}}, \overline{\text{RD}}, \overline{\text{WR}}, \overline{\text{INTR}}$, mạch tạo xung nhịp $606\text{ kHz}$ và công thức tính toán điện áp chuyển đổi.
• Cảm biến quang: Phân tích đặc tính quang phổ tia hồng ngoại ($\lambda > 760\text{ nm}$), cấu tạo diode phát hồng ngoại $\lambda = 940\text{ nm}$ và mạch thu PNA4602M ($38\text{ kHz}$), kết hợp mạch so áp LM358 tạo mức logic 0 và 1.
• Mạch cầu H và IC L298D: Trình bày nguyên lý đảo chiều dòng điện qua phần ứng động cơ DC, chức năng các chân ENA/ENB điều khiển băm xung, chân Current Sensing đo dòng quá tải.
• Động cơ điện một chiều: Phân loại động cơ kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp; phân tích phương trình đặc tính cơ và chứng minh phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng là giải pháp tối ưu nhằm tránh hiện tượng quá áp đánh thủng cách điện cuộn kích từ.
• Phần mềm thiết kế & Ngôn ngữ lập trình: Giới thiệu bộ công cụ Proteus (mô phỏng mạch ISIS và vẽ mạch in ARES) cùng phương pháp lập trình cấp thấp bằng Hợp ngữ (Assembly) tối ưu cho hệ thống nhúng thời gian thực.

Chương 3: Thiết kế mô hình điều khiển hệ thống cửa tự động sử dụng hệ vi xử lý AT89C52

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tích hợp hệ thống:

• Thiết lập sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ nguyên lý chi tiết kết nối giữa AT89C52 với các khối ngoại vi.
• Thiết kế mạch nguồn chuẩn $+5\text{VDC}$ sử dụng biến áp, cầu diode 1N4007, IC 7805 và hệ tụ lọc.
• Thiết kế mạch ghép nối cảm biến hồng ngoại chống nhiễu với ngắt ngoài INT0 của vi điều khiển.
• Thiết kế khối mạch điều khiển nút bấm 3 trạng thái (Dừng, Thuận, Nghịch) và khối mạch Reset hệ thống.
• Xây dựng sơ đồ đặc tả hệ thống FSM (Finite State Machine - Máy trạng thái hữu hạn) và chương trình điều khiển hoàn chỉnh viết bằng Hợp ngữ nạp vào bộ nhớ Flash ROM của AT89C52.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

• Thiết kế phần cứng hoàn chỉnh: Xây dựng thành công sơ đồ mạch nguyên lý tích hợp vi điều khiển AT89C52 với bộ chuyển đổi tín hiệu ADC0804, mạch công suất L298D và khối cảm biến hồng ngoại bước sóng $940\text{ nm}$ / sóng mang $38\text{ kHz}$.
• Hệ thống cấp nguồn ổn định: Thiết kế mạch nguồn kép cung cấp đồng thời điện áp động lực $12\text{VDC}$ và điện áp điều khiển $+5\text{VDC} \pm 5%$ qua IC 7805, tụ lọc $1000\ \mu\text{F}$ và mạch chống tự kích.
• Xây dựng giải thuật điều khiển thông minh: Hiện thực hóa thành công chu trình điều khiển phân cấp vận tốc ($v_1 \rightarrow v_3 \rightarrow \text{Dừng} \rightarrow \text{Trễ } 5\text{s} \rightarrow v_2 \rightarrow v_3 \rightarrow \text{Khép}$) và thuật toán tự động đảo chiều mở cửa khi có vật cản trong hành trình đóng.
• Chế tạo mô hình cơ khí: Hoàn thành kết cấu cơ khí cửa trượt với độ chính xác cao bằng ray thép, bánh xe sắt, puly và dây curoa truyền động êm ái.

2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

• Giải pháp triệt tiêu tia lửa điện và quá áp: Đề xuất phương pháp đảo chiều động cơ bằng cách đảo chiều cực tính điện áp đặt lên mạch phần ứng thông qua cầu H L298D thay vì ngắt mạch dòng kích từ, giúp bảo vệ an toàn cách điện cuộn dây.
• Giải pháp lọc nhiễu quang học: Sử dụng mắt nhận hồng ngoại PNA4602M bọc vỏ kim loại kết hợp mạch lọc thụ động RC ($R_{50}, C_{21}$) giúp ngăn ngừa hiện tượng kích hoạt sai do ánh sáng môi trường.

3. Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn

Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật toàn diện về việc ứng dụng họ vi điều khiển kinh điển MCS-51 trong thiết kế các hệ thống cơ điện tử dân dụng và công nghiệp. Bản thuyết minh làm rõ phương pháp kết nối phần cứng từ mức tín hiệu logic (TTL) đến tầng điều khiển công suất tải cảm (động cơ DC), đóng vai trò như một bộ tài liệu tham khảo chi tiết cho các đồ án thiết kế hệ thống nhúng và tự động hóa.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

• Phạm vi mô hình thực nghiệm: Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm phục vụ giảng dạy, chưa được thử nghiệm thực tế với cánh cửa kính cường lực có tải trọng lớn trong môi trường công nghiệp.
• Công nghệ cảm biến: Mạch cảm biến hồng ngoại đơn điểm có vùng bao phủ hẹp, dễ phát sinh điểm mù so với các hệ thống cảm biến an toàn quang học đa chùm hoặc cảm biến radar vi sóng chuyên dụng.
• Nền tảng phần cứng: Vi điều khiển 8-bit AT89C52 có dung lượng bộ nhớ nhỏ (8KB Flash, 128B RAM) và tần số làm việc giới hạn, gây khó khăn nếu cần mở rộng thêm các tính năng điều khiển phức tạp hoặc truyền thông không dây.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên các dòng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao (như ARM Cortex-M, STM32) hoặc bộ điều khiển lập trình công nghiệp PLC.
• Ứng dụng động cơ không chổi than (BLDC) hoặc động cơ bước kết hợp bộ mã hóa vòng quay Encoder để điều khiển vị trí và giám sát tốc độ cánh cửa với độ chính xác tuyệt đối.
• Bổ sung module kết nối truyền thông không dây (Wi-Fi/Zigbee/Bluetooth) để giám sát và điều khiển cửa từ xa thông qua mạng quản lý tòa nhà thông minh (BMS).

---

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật: Sinh viên các chuyên ngành Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật điện tử - viễn thông làm tài liệu tham khảo khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về vi xử lý họ 8051 và truyền động điện.
• Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
  • Sơ đồ nguyên lý và cách tính toán mạch nguồn ổn áp 5VDC chống dao động tự kích.
  • Phương pháp kết nối và lập trình đọc dữ liệu từ chip biến đổi tương tự - số ADC0804.
  • Thiết kế mạch ghép nối công suất điều khiển đảo chiều động cơ DC sử dụng IC L298D.
  • Cấu trúc chương trình hợp ngữ Assembly điều khiển vào/ra và ngắt ngoài thời gian thực.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại chọn giải pháp đảo chiều dòng điện phần ứng thay vì đảo chiều dòng kích từ để đổi chiều quay động cơ DC?

Khi động cơ đang vận hành, cuộn dây kích từ có hệ số điện cảm rất lớn do số lượng vòng dây nhiều. Nếu ngắt hoặc đổi chiều đột ngột dòng kích từ ($I_{kt}$), hiện tượng tự cảm sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng có giá trị rất cao, dễ gây phóng điện đánh thủng lớp cách điện của cuộn dây kích từ. Do đó, phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng ($I_ư$) thông qua mạch cầu H là giải pháp an toàn và tối ưu nhất.

2. Hệ thống xử lý thế nào khi có người bước vào lúc cửa đang trong quá trình đóng lại?

Khi cửa đang đóng với vận tốc $v_2$, nếu có người hoặc vật thể cắt ngang chùm tia hồng ngoại, mắt thu PNA4602M sẽ lập tức xuất tín hiệu về chân ngắt ngoài INT0 của AT89C52. Vi điều khiển sẽ lập tức hủy chu trình đóng, đảo chiều dòng điện qua động cơ để mở cửa ra nhanh với vận tốc $v_1$, tránh va đập vào người sử dụng.

3. Mạch nguồn ổn áp 5VDC trong đồ án được thiết kế gồm những linh kiện nào và có chức năng gì?

Mạch nguồn sử dụng biến áp hạ áp $220\text{VAC}/12\text{VAC}$, cầu chỉnh lưu gồm 4 diode 1N4007 nắn dòng xoay chiều thành một chiều, tụ hóa $C_1 = 1000\ \mu\text{F}$ để san phẳng điện áp DC ngõ vào IC 7805, và tụ hóa $C_2 = 10\ \mu\text{F}$ ở ngõ ra nhằm dập tắt hiện tượng dao động tự kích, đảm bảo cung cấp nguồn chuẩn $+5\text{VDC}$ (dòng tối đa 500mA) nuôi vi điều khiển AT89C52.

4. Tần số xung nhịp và thời gian chuyển đổi của chip ADC0804 trong mạch được xác lập như thế nào?

ADC0804 sử dụng bộ tạo dao động nội với mạch RC ngoài gồm $R = 10\text{ k}\Omega$ và $C = 150\text{ pF}$. Tần số xung nhịp được xác lập ở mức $f = 606\text{ kHz}$, tương ứng với thời gian chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là $110\ \mu\text{s}$ (đáp ứng điều kiện thời gian chuyển đổi chuẩn $< 110\ \mu\text{s}$).

5. Kết cấu cơ cấu truyền động cơ khí của cửa trượt gồm những chi tiết nào?

Cơ cấu truyền động cơ khí gồm 6 bộ phận chính: cánh cửa, thanh ray dẫn hướng bằng thép, các con lăn gia công bằng sắt, puli sắt kéo chuyển động, dây curoa truyền lực và rãnh trượt dẫn hướng phía dưới gia công bằng nhôm định hình.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Đức Mạnh đã nghiên cứu và thiết kế thành công mô hình hệ thống cửa đóng mở tự động hai cánh ứng dụng vi điều khiển 8-bit AT89C52. Hệ thống hoàn thiện đồng bộ từ kết cấu cơ khí thanh ray dây đai, mạch nguồn ổn áp chống nhiễu, mạch cảm biến hồng ngoại $38\text{ kHz}$ đến mạch điều khiển công suất cầu H L298D điều khiển động cơ DC 12V. Thuật toán điều khiển phân cấp vận tốc thông minh và cơ chế tự động mở lại khi gặp vật cản đảm bảo cho cửa vận hành êm ái, an toàn và chính xác. Đề tài là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao đối với sinh viên ngành Điện Tự động công nghiệp trong việc thiết kế và lập trình các hệ thống nhúng tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG, YÊU CẦU, KẾT CẤU CƠ KHÍ VỀ CỬA ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG Khi cuộc sống ngày càng hiện đại thì những sản phẩm như cửa tự động cũng trở nên phổ biến hơn. Không mất thời gian dùng sức để đóng mở, bạn có thể để thiết bị hoạt động độc lập tự động khi các cảm biến được kích hoạt. Đây cũng chính là những ưu điểm nổi bật làm sản phẩm chiếm được cảm tình của nhiều người dùng. Khái niệm của cửa tự động được hiểu đơn giản như một loại cửa tích hợp thêm các thiết bị để sản phẩm có thể tự động đóng, tự động mở nhờ cơ chế hoạt động của các thiết bị cảm biến khi các thiết bị cảm biến được kích hoạt.

Với tính năng này, cửa tự động mang lại những thuận lợi lớn cho người sử dụng như: Nếu người dùng cửa đang bê vác vật gì đó thì cửa tự động không những chỉ tạo cảm giác thoải mái mà thực sự đã giúp người dùng, tạo thuận lợi cho người hoàn thành công việc mà không bị cản trở. Sử dụng của tự động sẽ giúp người dùng nó đỡ tốn thời gian để đóng mở cửa. Cửa tự động rõ ràng sẽ đem lại cảm giác thoải mái cho người dùng , loại bỏ hoàn toàn cảm giác ngại, khó chịu như khi dùng cửa thường. Đặc biệt, hiện nay tại các cao ốc văn phòng, khách sạn, cửa hàng và siêu thị , có hàng ngàn lượt người di chuyển qua lại.

Vì vậy, cửa tự động ra vào là giải pháp hữu ích giúp cho người dùng thuận tiện hơn trong việc di chuyển, tiết kiệm thời gian, công sức khi không phải dùng tay như những loại cửa truyền thống. Hơn nữa, cửa kính tự động còn mang lại nét hiện đại, sang trọng. 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 hợn, tiện ích hơn. Để nghiên cứu một cách chính xác và cụ thể về cửa tự động, cần thiết phải chế tạo mô hình đóng mở tự động, mô tả hoạt động, hình dáng, cấu tạo của cửa tự động.

Từ mô hình này ta có thể quan sát và tìm hiểu hoạt động của cửa tự động, cũng như có thể lường trước những khó khăn có thể gặp phải khi 2 chế tạo cửa tự động trên thực tế. Cũng từ mô hình có thể thấy được ưu nhược điểm của thiết kế mà từ đó khắc phục những hạn chế, phát huy thế mạnh thiế kế cánh cửa ưu việt hơn, hoàn thiện hơn cho con người. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI CỬA TỰ ĐỘNG Hiện nay có nhiều loại cửa tự động: cửa cuốn, cửa đẩy, cửa kéo, cửa trượt…. Cửa cuốn Loại cửa này có khả năng cuộn tròn lại được.

Khi có tín hiệu điều khiển đóng mở cửa, động cơ của cửa sẽ tác động qua một trục cuốn cửa cuộn tròn quanh trục đó. Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, chỉ cần một động cơ công suất nhỏ. Thường được dùng làm cửa cho gara ô tô. Nó có tính kinh tế cao vì dễ chế tạo.

Nhưng cũng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị hỏng hơn các loại cửa khác. Cửa trượt Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh cố định cho phép cánh cửa có thể trượt qua lại. Cửa trượt được thiết kế với kiểu cách hiện đại, trang nhã 3 khiến người dùng ưa chọn, thích thú cùng với sự tiện lợi trong điều khiển và lập trình tạo nên chuyển động êm. Đây là loại cửa giúp giữ không khí trong không gian lớn luôn mát mẻ hoặc ấm áp.

Ngoài ra cửa còn nhận biết người hay vật cản một cách tự động giúp đóng mở cửa sang hai bên nhanh và tiện dụng mà không cần người phải đứng trực mở và đóng cửa. Loại cửa này thường được sử dụng trong nhà hàng, khách sạn, sân bay, nhà ga… Loại cửa này ở nước ta được dùng khá là phổ biến. Cửa trượt 1. CÁC YÊU CẦU CỦA CỬA TỰ ĐỘNG  Kích thước gọn gàng, hợp lý  Hệ thống điện tốt, hoạt động đúng theo thiết kế  Hệ thống cơ hoạt động tốt  Hệ thống cửa đáp ứng mọi nhu cầu đặt ra 1.1 Yêu cầu về chương trình chung:  Cửa phải tự động mở khi có người hoặc vật khi tiến lại gần cửa và đóng lại khi cách xa một khoảng  Cửa thiết kế để có thể đóng mở thông minh, có nghĩa là khi có tín hiệu người hoặc vật thì cửa mở ra với vận tốc v1 nhanh nhất để người hoặc vật có thể ra vào lập tức.

Khi mở cửa gần hết hành trình thì tự động giảm tốc 4 độ xuống v3 nhỏ nhất để cửa dừng lại chính xác ở cuối hành trình mở. Khi hết tín hiệu người hoặc vật sau một khoảng thời gian trễ khoảng 5 giây, cửa sẽ đóng lại nhanh với vận tốc là v2. Khi gần hết hành trình đóng, thì cửa giảm tốc độ xuống v3 để tránh va chạm giữa 2 cánh cửa. Khi cửa đóng lại, nếu lại có tín hiệu người hoặc vật thì cửa lại lập tức mở ra 1.2 Yêu cầu về cơ khí  Yêu cầu về thiết kế phải giống phải giống cửa thật về cả hình thức và chất lượng hoạt động phải chắc chắn gọn gàng.

Do đó, việc thiết kế cơ khí cho mô hình cũng phải đảm bảo những yêu cầu kĩ thuật như đối với cửa thật. Động cơ ở đây là loại động cơ 1 chiều được cấp nguồn bởi bộ chỉnh lưu cầu một chiều,kết hợp với bộ đảo chiều cho phép động cơ có thể quay thuận hoặc quay ngược. Kết cấu cơ khí của cửa tự động Kết cấu cơ khí của cửa đóng mở tự động là vô cùng quan trọng, đòi hỏi độ chính xác cao mới đảm bảo cửa vận hành an toàn, ổn định.1 Khung mô hình cửa tự động 5 Hình 1. Khung mô hình cửa tự động 1.2 Cơ cấu truyền động của cửa tự động Hình 1.4 Cơ cấu truyền động Cơ cấu truyền động: 1: Cánh cửa 2: Thanh ray 3: Con lăn 4: Puli 5: Dây cu roa 6: Rãnh trượt dưới.3 Cánh cửa Hình 1.4 Thanh ray Hình 1.

Thanh ray Thanh ray được làm bằng thép 1. Con lăn’ Con lăn được gia công bằng sắt 1. Puly Puli được gia công bằng sắt với kích thước như hình vẽ 1.7 Rãnh trượt dưới Hình 1. Rãnh trượt dưới Rãnh trượt dưới được ra công bằng thanh nhôm với kích thước như hình vẽ.

8 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN, THIẾT BỊ, PHẦN MỀM SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG CỬA ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG 2.1 Vi điều khiển AT89C52 Vi điều khiển 8051 được Intel cho ra đời vào năm 1980 thuộc vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51. Hiện tại rất nhiều nhà sản xuất như Siemens, Advanced Micro Devices, Fusisu và Philips tập trung phát triển các sản phẩm trên cở 8051. Atmel là hãng đã cho ra đời các chip 89C51, 52, 55 và sau đó cải tiến thêm, hãng cho ra đời 89S51, 52, 89S8252… AT89C52 là họ IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. Các sản phẩm AT89C52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển.

Việc xử lý trên byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội. Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia. Nó cung cấp những hổ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển.2 Một số đặc tính AT89C52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8Kbyte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3 TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON- CHIP. Các đặc điểm của chip AT89C52 được tóm tắt như sau:  8 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá.

9  Tần số hoạt động từ: 0 Hz đến 24 MHz  bộ Timer/counter 16 Bit  128 Byte RAM nội.  4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.  Giao tiếp nối tiếp.  64 KB vùng nhớ mã ngoài  64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại.

 Sơ đồ khối của AT89C52  Sơ đồ chân của AT89C52 Mặc dù các thành viên của họ 89C52 (ví dụ 8751, 89S52, 80C51, DS5000) đều có các kiểu đóng vỏ khác nhau, CFP (Quad Flat Pakage) và dạng 10 chip không có chân đỡ LCC (Leadless Chip Carrier) chúng đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào ra I/O, đọc RD giới hạn như hai hàng chân DIP (DualIn - LinePakage), dạng vỏ dẹt vuông QPF, ghi WR, địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Cần phải lưu ý một số hãng cung cấp một phiên bản 89C52 có 20 chân với số cổng vào ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu thấp hơn. Tuy nhiên vì hầu hết các nhà phát triển sử dụng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên ta chỉ tập trung mô tả phiên bản này. Chức năng của các chân AT89C52 - Port 0: từ chân 32 đến chân 39 (P0.

Port 0 có 2 chức năng: trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO, đối với thiết kế lớn có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu. - Port 1: từ chân 1 đến chân 9 (P1. Port 1 là port IO dùng cho giao tiếp với thiết bị bên ngoài nếu cần. - Port 2: từ chân 21 đến chân 28 (P2.

Port 2 là một port có tác dụng kép dùng như các đường xuất/nhập Hình 1.1 Sơ đồ các chân AT89C52 hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng. - Port 3: từ chân 10 đến chân 17 (P3. Port 3 là port có tác dụng kép. Các chân của port này có nhiều chức năng, có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các đặc tính đặc biệt của AT89C52 như trong bảng 2.1: Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXD Ngõ vào dữ liệu nối tiếp.1 TXD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp.2 INT0 Ngõ vào ngắt cứng thứ 0.3 INT1 Ngõ vào ngắt cứng thứ 1.4 T0 Ngõ vào TIMER/ COUNTER thứ 0 P3.5 T1 Ngõ vào của TIMER/ COUNTER thứ 1 P3.6 WR Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài P3.7 RD Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài.1 Chức năng chuyển đổi của các chân P3.