Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các công trình kiến trúc hiện đại và nhà cao tầng, thang máy đóng vai trò là phương tiện giao thông thẳng đứng thiết yếu, giúp tối ưu hóa việc vận chuyển hành khách, hàng hóa, thiết bị y tế trong bệnh viện và phương tiện tại các bãi đỗ xe nhiều tầng. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động, các hệ thống thang máy liên tục được nâng cấp nhằm nâng cao tính chính xác, tiện nghi và độ an toàn.
Qua khảo sát các đề tài nghiên cứu và mô hình thang máy học tập trước đây sử dụng các nền tảng như PLC, vi điều khiển ARM, PIC hay Arduino, nhóm tác giả nhận thấy phần lớn các thiết kế chỉ tập trung vào thuật toán điều khiển di chuyển cơ bản mà chưa giải quyết thỏa đáng tình huống mất nguồn điện lưới đột ngột. Khi nguồn cấp chính bị ngắt trong lúc buồng thang đang vận hành, hệ thống sẽ dừng cưỡng bức, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cho người bên trong. Do đó, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình thang máy" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình điều khiển thang máy hoàn chỉnh trên nền tảng vi điều khiển PIC16F887, đồng thời tích hợp mạch tự động chuyển sang nguồn điện dự phòng khi xảy ra sự cố mất điện.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:
Mục tiêu nghiên cứu:
- Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình thang máy 4 tầng (tầng 0, 1, 2, 3).
- Ứng dụng vi điều khiển PIC16F887 để xây dựng thuật toán điều khiển hoạt động thang máy, tích hợp giải pháp xử lý an toàn thông qua chuyển mạch nguồn dự phòng khi mất điện.
Nhiệm vụ nghiên cứu (gồm 8 nội dung thực hiện):
- Nội dung 1: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ học, điện tử của hệ thống thang máy.
- Nội dung 2: Tính toán và thiết kế mạch nguồn hệ thống gồm nguồn chính và nguồn dự phòng tự động chuyển mạch.
- Nội dung 3: Thiết kế cơ cấu truyền động kéo buồng thang lên - xuống và hệ thống đối trọng.
- Nội dung 4: Thiết kế khối nút nhấn gọi tầng, chọn tầng và cảnh báo báo động.
- Nội dung 5: Thiết kế khối hiển thị vị trí tầng bằng LED 7 đoạn và trạng thái di chuyển bằng LED đơn.
- Nội dung 6: Thiết kế khối cảm biến quang học tại cửa cabin và cảm biến định vị điểm dừng buồng thang trên ray dẫn hướng.
- Nội dung 7: Lập trình firmware cho vi điều khiển PIC16F887 để xử lý giao tiếp cảm biến, giải mã phím bấm, điều khiển động cơ DC và xuất tín hiệu hiển thị.
- Nội dung 8: Thiết kế mô hình 3D và gia công cơ khí hoàn thiện sản phẩm.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình thang máy đơn 4 tầng và hệ thống mạch điều khiển tự động sử dụng vi điều khiển 8-bit PIC16F887.
- Phạm vi không gian và quy mô: Mô hình vật lý có kích thước chiều dài 54 cm, chiều rộng 30 cm, chiều cao 60 cm. Thang máy phục vụ 4 tầng định danh là Tầng 0, Tầng 1, Tầng 2 và Tầng 3.
- Thời gian thực hiện: Từ ngày 18/02/2019 đến ngày 30/06/2019 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
- Giới hạn đề tài: Đề tài dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm học tập; sử dụng động cơ DC giảm tốc công suất nhỏ nguồn 12V; chưa trang bị hệ thống camera an ninh giám sát và chưa tích hợp cảm biến cân tải trọng cabin để phát hiện quá tải.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài áp dụng các nguyên lý kỹ thuật điện tử, vi điều khiển nhúng, cảm biến và động lực học thang máy để tính toán, thiết kế hệ thống.
1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán
Khóa luận hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về thang máy:
- Định nghĩa và phân loại: Thiết bị vận chuyển chuyên dụng theo phương thẳng đứng (hoặc góc nghiêng dưới 15° so với phương thẳng đứng). Phân loại theo công dụng (chở người, chở hàng, bệnh viện, hầm mỏ); theo dải tốc độ (chậm $v = 0{,}5\text{ m/s}$, trung bình $v = 0{,}75 - 1{,}5\text{ m/s}$, cao tốc $v = 2{,}5 - 5\text{ m/s}$); theo tải trọng ($Q < 160\text{ kg}$, $Q = 500 - 2000\text{ kg}$, $Q > 2000\text{ kg}$).
- Các công thức động lực học thang máy:
- Khối lượng đối trọng: $G_{đt} = G_{bt} + \alpha G$ (với hệ số cân bằng $\alpha = 0{,}3 - 0{,}6$, chọn $\alpha = 0{,}5$).
- Lực kéo trên puli cáp: $F = (G_{bt} + G - G_{đt}) \cdot g$.
- Lực quán tính sinh gia tốc: $F' = (G_{bt} + G - G_{đt}) \cdot a$.
- Tổng lực kéo yêu cầu của động cơ: $F_K = F + F'$.
- Tốc độ quay của động cơ: $n = \frac{v \cdot 60 \cdot i}{2\pi R}$ (với $i = 18{,}8$ là tỷ số truyền hộp số, $R$ là bán kính puli dẫn động).
- Công suất động cơ tính toán: $P = \frac{F_K \cdot v}{\eta}$ (với hiệu suất $\eta = 0{,}8$).
2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tính toán mạch điện tử: Sử dụng định luật Kirchhoff 2 để xác định điện trở phân cực cho transistor NPN C1815, opto cách ly PC817A, LED hiển thị và còi báo buzzer.
- Phương pháp thiết kế và mô phỏng mạch: Dùng phần mềm Proteus (ISIS vẽ sơ đồ nguyên lý và mô phỏng hoạt động mạch số/vi điều khiển; ARES thiết kế mạch in PCB đa lớp).
- Phương pháp thiết kế cơ khí: Dùng phần mềm SolidWorks để dựng hình 3D toàn bộ kết cấu khung thang, cabin, đối trọng, ròng rọc và bố trí vị trí lắp đặt ray dẫn hướng, module điều khiển.
- Phương pháp lập trình nhúng: Sử dụng ngôn ngữ C với trình biên dịch CCS C Compiler, nạp chương trình file hex vào vi điều khiển PIC16F887 qua mạch nạp chuyên dụng và phần mềm The Sun.
3. Thông số các linh kiện phần cứng chính
| Linh kiện |
Mã hiệu / Quy cách |
Thông số kỹ thuật chính |
Vai trò trong hệ thống |
| Vi điều khiển |
PIC16F887 (Microchip) |
8-bit, Flash 14 KB, RAM 368 B, EEPROM 256 B, 35 I/O, thạch anh 20 MHz, DIP-40 |
Xử lý trung tâm, quét nút nhấn, đọc cảm biến, điều khiển động cơ và hiển thị |
| Động cơ kéo cabin & cửa |
JGB37-520 12V |
DC 12V, tốc độ không tải 319 rpm, dòng tải 170 mA, mô men xoắn 1,8 kg.cm, tỷ số truyền 18,8 |
Dẫn động ròng rọc kéo cabin và cơ cấu đóng/mở cửa buồng thang |
| Cảm biến hồng ngoại |
Module LM393 |
Điện áp 3,3V - 5V DC, dòng 43 mA, khoảng cách 2 - 5 cm, góc quét 35°, ngõ ra Digital (0/1) |
Định vị vị trí tầng (0-3) trên ray, nhận biết cửa mở hết/đóng hết, phát hiện vật cản |
| IC logic AND |
74LS08 |
Họ TTL, 4 cổng AND 2 ngõ vào, điện áp 4,25V - 5,25V, dòng ngõ ra $I_{OL} = 8\text{ mA}$ |
Tổng hợp trạng thái nhấn phím tạo ngắt ngoài mức thấp đưa về chân RB0 |
| IC chốt dữ liệu |
74HC573 |
Octal D-type transparent latch, 8 kênh, điện áp 2V - 6V, $I_{out} = 35\text{ mA}$ |
Chốt dữ liệu tầng và chiều di chuyển từ Port A, tránh xung nhiễu hiển thị |
| IC giải mã LED 7 đoạn |
74LS247 |
Giải mã BCD sang LED 7 đoạn (Anode chung), $V_{CC} = 5\text{V}$, $I_{OL\max} = 3{,}2\text{ mA}$ |
Giải mã mã nhị phân vị trí tầng từ IC chốt để hiển thị số tầng 0, 1, 2, 3 |
| Opto cách ly quang |
PC817A |
Điện áp cách ly $V_{ISO} = 5000\text{V}$, $V_{CEO} = 35\text{V}$, $I_F = 20\text{ mA}$, CTR $\ge 50%$ |
Cách ly tín hiệu điều khiển của vi điều khiển với khối công suất động cơ |
| Transistor điều khiển |
C1815 |
NPN, $V_{CEO} = 50\text{V}$, $I_C = 150\text{ mA}$, $h_{FE} = 100$, $P_{\max} = 400\text{ mW}$ |
Kích đóng/ngắt cuộn hút relay, kích hoạt LED đơn báo chiều và còi buzzer |
| Rơ-le đóng cắt |
SRD-12VDC |
5 chân, cuộn hút 12V DC, công suất cuộn dây 0,45W (60 mA), tiếp điểm chịu dòng tối đa 10A |
Đảo chiều điện áp cấp cho động cơ DC kéo cabin và động cơ cửa |
| LED hiển thị |
7 đoạn Anode chung |
Kích thước 0,56 inch, điện áp hoạt động 2,2V, dòng định mức 25 mA |
Hiển thị chữ số tầng hiện tại của cabin tại mỗi cửa tầng |
Thiết kế và triển khai hệ thống
1. Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống điều khiển mô hình thang máy gồm 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:
- Khối xử lý trung tâm (PIC16F887): Nhận tín hiệu từ ma trận nút nhấn và cảm biến, xử lý thuật toán ưu tiên gọi tầng, xuất tín hiệu điều khiển chiều quay động cơ và điều khiển hiển thị.
- Khối nút nhấn: Gồm ma trận phím gọi tầng gắn ngoài sảnh và chọn tầng gắn bên hông cabin. Tín hiệu các cột đưa qua IC 74LS08 để kích hoạt ngắt ngoài (INT_EXT) tại chân RB0.
- Khối cảm biến: Gồm 4 cảm biến hồng ngoại đặt dọc thanh ray định vị 4 tầng và 3 cảm biến gắn tại cabin (cảm biến cửa mở hết, cảm biến cửa đóng hết, cảm biến phát hiện vật cản ở cửa).
- Khối hiển thị và chuông báo: Gồm IC chốt 74HC573 nhận dữ liệu từ Port A, cấp tín hiệu cho IC giải mã 74LS247 hiển thị LED 7 đoạn, điều khiển LED đơn báo chiều lên/xuống và kích còi Buzzer (chân RC4) báo khi dừng đúng tầng.
- Khối điều khiển động cơ: Gồm 4 kênh điều khiển độc lập sử dụng Opto PC817A cách ly, Transistor C1815 và Relay 12V mắc cầu H đơn giản để đảo cực điện áp cho động cơ kéo cabin (nâng/hạ) và động cơ mở/đóng cửa.
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn kép gồm nguồn chính 12VDC, 5VDC và nguồn dự phòng tự động đóng cắt chuyển nguồn khi mất điện lưới.
2. Phân bố chân I/O trên vi điều khiển PIC16F887
| Port |
Chân vi điều khiển |
Chức năng kết nối phần cứng |
| Port A |
RA0, RA1 |
Xuất mã nhị phân vị trí buồng thang đưa vào chân D0, D1 của IC chốt 74HC573 |
|
RA2, RA3 |
Xuất tín hiệu chiều di chuyển (lên/xuống) đưa vào chân D2, D3 của IC chốt |
|
RA5 |
Điều khiển chốt dữ liệu (chân Latch Enable - LE của 74HC573) |
|
RA6, RA7 |
Kết nối thạch anh dao động 20 MHz và 2 tụ gốm 22 pF |
| Port B |
RB0 |
Nhận tín hiệu ngắt ngoài (INT_EXT, ngắt cạnh xuống từ ngõ ra IC 74LS08) |
|
RB1, RB2, RB3 |
Xuất tín hiệu quét hàng ma trận phím bấm |
|
RB5, RB6, RB7 |
Nhận tín hiệu quét cột ma trận phím bấm để giải mã phím được nhấn |
| Port C |
RC0, RC1 |
Xuất tín hiệu điều khiển động cơ kéo cabin (RC0: quay thuận/lên, RC1: quay nghịch/xuống) |
|
RC2, RC3 |
Xuất tín hiệu điều khiển động cơ cửa cabin (RC2: đóng cửa, RC3: mở cửa) |
|
RC4 |
Xuất tín hiệu điều khiển còi báo Buzzer |
|
RC5, RC6, RC7 |
Nhận tín hiệu cảm biến hồng ngoại cabin (vật cản cửa, cửa đóng hết, cửa mở hết) |
| Port D |
RD0, RD1, RD2, RD3 |
Nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại định vị vị trí dừng buồng thang từ Tầng 0 đến Tầng 3 |
| Port E |
RE0 |
Kết nối switch khóa thang chuyên dụng cho bảo trì (tác động tích cực mức 0) |
|
RE3 |
Chân nhận tín hiệu Reset vi điều khiển (Master Clear - MCLR) |
3. Tính toán các thông số mạch điện tử
- Tính chọn điện trở kích Transistor C1815 cho LED báo chiều và Buzzer:
Áp dụng định luật Kirchhoff 2: $V_{BB} = I_B R_B + V_{BE}$.
Với $V_{BB} = 5\text{V}$, $V_{BE} = 1\text{V}$, dòng ngõ ra $I_O = 20\text{ mA}$:
$$R_{B(\min)} = \frac{V_{BB} - V_{BE}}{I_B} = \frac{5 - 1}{0{,}02} = 200,\Omega \implies \text{Chọn điện trở chuẩn } R_B = 220,\Omega.$$
- Tính chọn điện trở hạn dòng LED 7 đoạn Anode chung:
Mỗi đoạn tiêu thụ dòng $I_{LED} \approx 25\text{ mA}$, nguồn cấp 5V, sụt áp trên LED là $V_{LED} = 2\text{V}$:
$$R = \frac{V_{CC} - V_{LED} - V_{O(16F887)}}{I} = 220,\Omega \implies \text{Chọn 7 điện trở } 220,\Omega.$$
- Tính chọn điện trở hạn dòng Opto PC817A:
Chọn dòng phát quang $I_F = 20\text{ mA}$, $V_F = 1{,}2\text{V}$, $V_{LED} = 2\text{V}$, $V_{vdk} = 0{,}2\text{V}$:
$$R_{1(\min)} = \frac{5 - 1{,}2 - 2 - 0{,}2}{0{,}02} = 80,\Omega \implies \text{Chọn } R_1 = 220,\Omega.$$
- Tính chọn điện trở kích cực B Transistor kéo Relay 12V:
Cuộn hút relay tiêu thụ dòng $I_L = 60\text{ mA}$, sụt áp bão hòa $V_{CE(\text{sat})} \approx 0{,}08\text{V}$, $V_{BE} = 0{,}8\text{V}$, dòng $I_B = 1\text{ mA}$:
$$R_{2(\max)} = \frac{V_{\text{relay}} - V_{CE(\text{opto})} - V_{BE(\text{transistor})}}{I_B} = \frac{12 - 0{,}1 - 0{,}8}{0{,}001} = 11100,\Omega \implies \text{Chọn } R_2 = 220,\Omega.$$
- Diode dập xung ngược: Mắc song song ngược với cuộn hút relay để triệt tiêu sức điện động cảm ứng sinh ra khi transistor ngắt dòng đột ngột, bảo vệ mối nối Collector-Emitter của Transistor C1815 không bị đánh thủng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Đặt vấn đề
Chương này phân tích vai trò thực tiễn của thang máy trong kiến trúc đô thị, trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu an toàn khi vận hành thang máy lúc mất nguồn điện lưới. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế mô hình 4 tầng bằng PIC16F887, liệt kê 8 nội dung nghiên cứu kỹ thuật, vạch rõ giới hạn kích thước vật lý ($54 \times 30 \times 60\text{ cm}$) cùng công suất động cơ, đồng thời trình bày cấu trúc 6 chương của báo cáo khóa luận.
Chương 2. Giới thiệu thang máy và phần cứng
Chương 2 trình bày tổng quan cấu tạo thang máy gồm buồng thang (cabin), đối trọng, hố giếng và cơ cấu truyền động. Tác giả phân loại chi tiết thang máy theo công dụng, dải tốc độ và tải trọng; trình bày hệ thống công thức giải tích xác định đối trọng, lực kéo puli cáp, mô men xoắn và công suất động cơ. Phần cứng được thuyết minh chi tiết kèm bảng thông số kỹ thuật đầy đủ: vi điều khiển PIC16F887, động cơ DC giảm tốc JGB37-520 12V (319 rpm, 1,8 kg.cm), module cảm biến hồng ngoại so sánh bằng IC LM393, LED 7 đoạn Anode chung, relay 5 chân 12V, IC giải mã 74LS247, IC cổng AND 74LS08, IC chốt dữ liệu 74HC573, Opto PC817A và Transistor C1815.
Chương 3. Tính toán và thiết kế
Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Tác giả phân chia chức năng cụ thể cho từng Port của vi điều khiển PIC16F887 (Port A xuất hiển thị/chốt, Port B quét ma trận phím và ngắt ngoài RB0, Port C điều khiển động cơ/chuông/cảm biến cửa, Port D nhận tín hiệu 4 tầng, Port E xử lý switch khóa thang và Reset). Chương này thực hiện các phép tính toán linh kiện điện tử dựa trên định luật Kirchhoff để chọn chính xác trị số điện trở hạn dòng, điện trở phân cực cho LED 7 đoạn, LED đơn, Buzzer, Opto PC817A và Transistor C1815 kích hoạt relay bảo vệ mạch điều khiển.
Chương 4. Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình hiện thực hóa phần cứng và phần mềm:
- Thi công mạch điện tử: Bố trí linh kiện và vẽ mạch in cho module nguồn và module điều khiển trên phần mềm Proteus ARES; tiến hành gia công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra thông mạch.
- Thi công cơ khí và đóng gói: Dựng mô hình 3D trên SolidWorks; gia công khung thang, lắp ray dẫn hướng, ròng rọc, dây đai, cabin và đối trọng. Thiết kế tủ điều khiển riêng biệt có cửa đóng mở tiện sửa chữa, bố trí CB nguồn và switch khóa thang bên hông tủ; chuyển ma trận nút nhấn ra cạnh sườn cabin nhằm thuận tiện quan sát.
- Lập trình hệ thống: Xây dựng 9 lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh (thuật toán ngắt ngoài RB0, thuật toán so sánh vị trí và lưu hàng đợi gọi tầng, thuật toán mở/đóng cửa buồng thang, thuật toán di chuyển lên/xuống, thuật toán chuông báo và thuật toán tổng thể). Lập trình code C trên CCS C Compiler, biên dịch tạo file hex và nạp vi điều khiển bằng phần mềm The Sun; mô phỏng kiểm chứng trên Proteus ISIS.
- Quy trình thao tác: Hướng dẫn quy trình vận hành và tài liệu sử dụng mô hình.
Chương 5. Kết quả, nhận xét, đánh giá
Chương 5 công bố hình ảnh thực tế mô hình khi vận hành tại các tầng (Tầng 0, Tầng 2), cấu trúc bên trong buồng thang và tủ điều khiển. Tác giả đánh giá hệ thống đạt được đầy đủ các mục tiêu đề ra: điều khiển cabin dừng đúng tầng, hiển thị số tầng và chiều di chuyển chính xác, cơ cấu cửa mở/đóng an toàn khi có vật cản, tính năng khóa thang bảo trì hoạt động ổn định và hệ thống tự động chuyển mạch sang nguồn dự phòng ngay khi ngắt nguồn chính mà không làm gián đoạn trạng thái hoạt động.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, chỉ ra các điểm còn hạn chế do điều kiện mô hình học thuật và đề xuất các hướng nâng cấp phần cứng, phần mềm trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả kỹ thuật đạt được
- Chế tạo thành công mô hình thang máy 4 tầng kích thước chuẩn $54 \times 30 \times 60\text{ cm}$ với kết cấu cơ khí vững chắc, thẩm mỹ, dẫn động bằng động cơ DC giảm tốc JGB37-520 qua hệ puli - dây đai và đối trọng.
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh 2 bo mạch PCB: Bo mạch nguồn kép tự động chuyển mạch và Bo mạch điều khiển trung tâm sử dụng PIC16F887.
- Thuật toán điều khiển xử lý chính xác tín hiệu ngắt ngoài từ phím gọi tầng, định vị vị trí cabin bằng 4 cảm biến hồng ngoại LM393 trên thanh ray, hiển thị trực quan số tầng trên LED 7 đoạn và chiều chuyển động trên LED đơn.
- Cơ chế an toàn cửa hoạt động nhạy bén: Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản tại cửa sẽ lập tức kích hoạt động cơ mở cửa trở lại để chống kẹt người/vật.
- Tích hợp thành công switch khóa thang (Port RE0) phục vụ bảo trì: Khi gạt switch, cabin dừng cố định tại tầng hiện tại nhưng bộ nhớ vẫn lưu giữ các lệnh gọi phát sinh và tự động thực thi tiếp khi mở khóa.
- Mạch nguồn tự động chuyển đổi sang nguồn dự phòng trơn tru khi nguồn chính mất điện, đảm bảo chu trình hoạt động của buồng thang không bị treo.
2. Đóng góp của đề tài
- Đưa ra giải pháp kỹ thuật cụ thể khắc phục rủi ro mất điện đột ngột trong các mô hình điều khiển thang máy học thuật bằng mạch chuyển nguồn tự động.
- Xây dựng tài liệu thiết kế hệ thống nhúng hoàn chỉnh từ tính toán lý thuyết giải tích, thiết kế mạch điện tử, mô hình hóa cơ khí 3D (SolidWorks) đến giải thuật logic tuần tự và lưu đồ ngắt trên vi điều khiển 8-bit.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
1. Hạn chế của đề tài
- Hệ thống chỉ được thử nghiệm trên mô hình công suất nhỏ (động cơ DC 12V tải dòng 170 mA), chưa tính toán và chịu tải theo trọng lượng thực tế của người sử dụng.
- Chưa trang bị cảm biến đo trọng lượng buồng thang để đưa ra cảnh báo quá tải (Overload).
- Chưa có cảm biến nhiệt độ và khói để đưa ra kịch bản ứng phó tự động khi xảy ra hỏa hoạn.
- Chưa tích hợp hệ thống giám sát an ninh camera bên trong/ngoài cabin và chưa có đầu đọc thẻ RFID để phân quyền kiểm soát người sử dụng.
2. Hướng nghiên cứu phát triển
- Tích hợp thêm cảm biến trọng lượng (Loadcell) dưới sàn cabin kết hợp chuông cảnh báo và vô hiệu hóa lệnh đóng cửa khi thang vượt quá tải trọng định mức.
- Bổ sung cảm biến báo cháy/khói; khi có tín hiệu hỏa hoạn, hệ thống tự động hủy các lệnh gọi tầng và đưa cabin về tầng thoát hiểm gần nhất, mở cửa cưỡng bức.
- Tích hợp module RFID để xác thực phân quyền thẻ từ cho người dùng tại các khu vực yêu cầu an ninh cao.
- Nâng cấp hệ thống điều khiển kết nối máy tính qua giao tiếp nối tiếp hoặc mở rộng module mạng (IoT) để giám sát trạng thái, nhật ký hành trình và cảnh báo sự cố từ xa.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực hành cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Tự động hóa, Cơ điện tử: Dùng làm tài liệu tham khảo cho đồ án tốt nghiệp, đề tài môn học Vi điều khiển, Kỹ thuật thiết kế mạch PCB và Cơ sở điều khiển tự động.
- Người nghiên cứu hệ thống nhúng vi điều khiển PIC: Tham khảo phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển phối hợp giữa quét ma trận phím, xử lý ngắt ngoài cứng (INT_EXT trên RB0) và quản lý hàng đợi trạng thái logic.
- Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Phương pháp tính toán điện trở phân cực cho mạch cách ly quang Opto PC817A kết hợp Transistor C1815 điều khiển Relay đảo chiều động cơ DC (Chương 3); Hệ thống 9 lưu đồ giải thuật điều khiển phân tầng và đóng/mở cửa an toàn (Chương 4).
Câu hỏi thường gặp
1. Vi điều khiển PIC16F887 nhận biết và xử lý tín hiệu khi có người nhấn nút gọi tầng bằng cơ chế nào?
Hệ thống sử dụng cơ chế ngắt ngoài (INT_EXT) kết hợp quét ma trận phím. Ngõ ra các cột của cụm nút nhấn được đưa qua IC logic 74LS08 (4 cổng AND 2 ngõ vào) nối vào chân RB0 của PIC16F887. Ở trạng thái bình thường, chân RB0 ở mức cao. Khi có bất kỳ nút nào được nhấn, ngõ ra của 74LS08 chuyển xuống mức thấp, kích hoạt ngắt ngoài theo sườn xuống. Chương trình phục vụ ngắt sẽ tiến hành quét tuần tự các hàng (RB1, RB2, RB3) và đọc trạng thái các cột (RB5, RB6, RB7) để xác định chính xác vị trí tầng được gọi.
2. Khối điều khiển động cơ DC được thiết kế cách ly và chống xung điện áp ngược như thế nào?
Mỗi động cơ DC được điều khiển thông qua mạch relay đảo chiều được kích bởi Transistor NPN C1815. Giữa ngõ ra vi điều khiển (Port C) và cực B của Transistor được cách ly hoàn toàn bằng Opto quang PC817A ($V_{ISO} = 5000\text{V}$) nhằm bảo vệ chip khỏi nhiễu công suất. Đồng thời, một diode bảo vệ được mắc song song ngược qua cuộn hút của mỗi relay để triệt tiêu sức điện động cảm ứng sinh ra khi ngắt dòng, ngăn chặn hiện tượng tăng vọt điện áp gây hỏng Transistor.
3. Công tắc (switch) khóa thang tại chân RE0 hoạt động ra sao khi kích hoạt?
Switch khóa thang là công tắc tác động tích cực mức 0 nối vào chân RE0. Khi gạt switch (chế độ bảo trì/sửa chữa), chức năng khóa thang được kích hoạt làm thang máy dừng cố định tại tầng hiện tại. Trong thời gian khóa, nếu có các lệnh gọi thang từ các tầng khác, vi điều khiển vẫn ghi nhớ các vị trí này vào bộ đệm và buồng thang sẽ tự động tiếp tục hành trình phục vụ các lệnh đã lưu ngay khi switch được gạt trở lại vị trí ban đầu.
4. Khối hiển thị số tầng và trạng thái lên/xuống sử dụng các IC phụ trợ nào để tối ưu chân vi điều khiển?
Khối hiển thị sử dụng IC chốt 74HC573 nhận dữ liệu 4-bit từ Port A (RA0, RA1 mang dữ liệu vị trí tầng; RA2, RA3 mang dữ liệu chiều di chuyển; chân RA5 điều khiển chốt LE). Tín hiệu vị trí tầng sau chốt được đưa qua IC giải mã BCD sang 7 đoạn 74LS247 để điều khiển LED 7 đoạn Anode chung, trong khi tín hiệu chiều di chuyển được đưa qua Transistor điều khiển các cặp LED đơn báo lên/xuống. Việc dùng IC chốt và IC giải mã giúp tiết kiệm số lượng chân I/O của vi điều khiển và chống hiện tượng nhấp nháy hiển thị.
5. Giải pháp xử lý sự cố mất điện trong khóa luận được triển khai như thế nào?
Mạch nguồn được thiết kế tích hợp hai đường cấp điện song song gồm nguồn chính 12VDC/5VDC và nguồn dự phòng độc lập. Khi xảy ra sự cố mất điện lưới, mạch chuyển nguồn tự động lập tức kích hoạt chuyển mạch cấp điện từ nguồn dự phòng sang cho toàn bộ hệ thống vi điều khiển, cảm biến và động cơ, đảm bảo thang máy tiếp tục vận hành an toàn mà không bị dừng đột ngột giữa các tầng.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình thang máy" của nhóm tác giả Lê Thanh Tiến và Phạm Văn Hiếu đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình thang máy 4 tầng vận hành tự động bằng vi điều khiển PIC16F887. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán an toàn chuyển mạch nguồn dự phòng khi mất điện, tích hợp đầy đủ cơ cấu bảo vệ cửa buồng thang chống kẹt và khóa thang bảo trì. Sản phẩm là mô hình học cụ trực quan, minh chứng rõ nét cho việc kết hợp đồng bộ giữa tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng điện tử, gia công cơ khí 3D và lập trình điều khiển nhúng.
