Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điểu khiển từ xa bằng atmega32

36kHz - Khi chưa có tín hiệu ngõ ra đầu thu hồng ngoại là mức 1, khi có tín hiệu ứng với mức 0, do vậy mức logic giữ ở mức 1. - Như vậy khi có tín hiệu start từ remote, MCU cảm nhận được. 3 bit đầu để đồng bộ, có thể không cần thu,chỉ quan tâm đến các bit địa chỉ và lệnh phía sau. - Tạo độ trễ 4.752ms để bỏ qua 3 bits đầu. Từ bit thứ 4 tạo độ trễ 1.728ms ,sau đó đọc trạng thái ngõ ra mắt thu hồng ngoại nối với MCU để xác định bit thu là 0 hay 1. Thực hiện đến khi hết chuỗi hay chỉ cần lấy các bit lệnh. - Bit thu được đưa vào cờ nhớ, từ đó dịch vào một thanh ghi 8 bits. Trong bộ nhớ MCU có lưu sẵn bảng mã lệnh của remote. Khi đủ giá trị thanh ghi đem tra vào bảng để xác định lệnh cần thực hiện. - Khi nhận đủ các bit cần thiết tạo trễ một khoảng thời gian để vượt ra khỏi bit cuối cùng của chuỗi và chờ đến chuỗi tín hiệu điều khiển kế tiếp. - 21 - 1.3.5.2. Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC) Hình 1.30: Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC) 1.4. Giới thiệu một số linh kiện thu hồng ngoại 1.4.1. Điện trở quang Điện trở quang là một cấu kiện bán dẫn thụ động, không có lớp tiếp xúc P-N. Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang thường là Cadmium Sufid (CdS). Cadmium Swlenid (CDSe). Sulfid kẽm (ZnS) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác. Tất cả các vật liệu này được gọi là vật liệu bán dẫn nhạy quag. a. Cấu tạo Điện trở quang gồm một lớp vật liệu bán dẫn nhạy quang, rải lên một tấm vật liệu cách điện và 2 chân dẫn điện. Để chống ẩm, người ta bọc bên ngoài quang điện trở một lớp sơn chống ẩm trong suốt với vùng ánh sáng hoạt động của nó. Tất cả được bọc trong một vỏ bằng chất dẻo, có cửa sổ cho ánh sáng đi qua. - 22 - Hình 1.31: a- Cấu tạo của điện trở quang b- Ký hiệu của điện trở quang trong sơ đồ mạch b. Nguyên lý làm việc Mạch điện đấu điện trở quang trình bầy ở hình 2.14a Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu bán dẫn nhạy quang với năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu, do quá trình hấp thụ quang năng, từng cặp điện tử-lỗ trống mới xuất hiện. Do vậy, nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn tăng lên, làm độ dẫn điện của nó tăng, hay nói cách khác là điện trở của chất bán dẫn giảm xuống. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo. Hình 1.32: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở. - 23 - Về phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện. Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dãi cấm. c. Các ứng dụng của quang điện trở Quang điện trở có nhiều ứng dụng trong thực tế - Sử dụng trong các mạch báo động: - Đo độ sáng trong quang phổ: - Làm mạch cảm biến trong nhiều hệ thống tự động hóa: ….. 1.4.2. Điôt quang a. Khái niệm chung Khi chiếu sáng một tiếp xúc P-N thì trên nó sẽ xuất hiện một điện áp. Tùy theo chức năng và cấu trúc có thể chia điôt quang thành nhiều loại như sau: • Điôt quang loại tiếp xúc P-N. • Điôt quang loại PIN. • Điôt quang thác (APD). Một số đặc điểm của điôt quang là rất tuyến tính, ít nhiễu, dải tần số làm việc rộng, nhẹ, có độ bền cơ học cao và tuổi thọ cao. Điôt quang không nhạy bằng điện trở quang loại CdS nhưng nó làm việc nhanh gấp nhiều lần. b. Ký hiệu của điôt quang trong sơ đồ mạch điện Hình 1.33: Ký hiệu của điôt quang - 24 - 1.4.2.1 Điôt quang loại tiếp xúc P-N Lớp chống phản quang Hình 1.34: a- Cấu tạo của điôt quang loại tiếp xúc P-N b- phân bố dải năng lượng của tiếp xúc P-N(b) a. Cấu tạo Điôt quang gồm có một tiếp xúc P-N. Bề dày của lớp tiếp xúc là w. Hai phần tử bán dẫn là ++P và ++N có nồng độ tạp chất cao. Điôt có một cửa sổ để chiếu ánh sáng vào. Hai chân anôt A và catôt K là kim loại được nối tới các phần bán dẫn. Xem hình trên (hình 2.17) b. Nguyên lý làm việc Hình 1.35: Sơ đồ nguyên lý đấu nối điốt quang Như trong sơ đồ hình 1.40, điôt quang được cấp nguồn Ecc sao cho tiếp xúc P- N phân cực ngược để tạo ra một điện trường dịch chuyển, các hạt dẫn thiểu số sẽ được sinh ra dưới tác dụng của ánh sáng. Do đó, khi chưa có tác dụng ánh sáng thì trong điốt thu quang chỉ có dòng điện ngược (dòng điện tối hay dòng rò) rất nhỏ. Khi cho ánh sáng chiếu vào (xem hình 1.35) trong quá trình hấp thụ, ở chất bán dẫn xuất hiện từng cặp điện tử -lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống này dưới tác - 25 - động của điện trường ở tiếp xúc P-N phân cực ngược sẽ chuyển động trôi qua tiếp xúc P-N và tạo nên dòng điện gọi là dòng quang điện. Hình 1.36: Đặc tuyến của quang diode. Đặc tuyến V-I của quang diode với quang thông là thông số cho thấy ở quang thông nhỏ khi điện thế phân cực nghịch nhỏ, dòng điện tăng theo điện thế phân cực, nhưng khi điện thế phân cực lớn hơn vài volt, dòng điện gần như bão hòa (không đổi khi điện thế phân cực nghịch tăng). Khi quang thông lớn, dòng điện thay đổi theo điện thế phân cực nghịch. Tần số hoạt động của quang diode có thể lên đến hàng MHz. Quang diode cũng như quang điện trở thường được dùng trong các mạch điều khiển để đóng - mở mạch điện (dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào và ngưng khi tối). 1.2.4.2 Điôt quang PIN a. Cấu tạo Điôt quang loại PIN gồm một lớp bán dẫn N+ có nồng độ tạp chất cao làm nền, trong đó phủ một lớp bán dẫn nguyên tính I (Intrinsic), rồi đến lớp bán dẫn loại ++P có nồng độ tạp chất cao. Do đó, điốt có tên gọi là điốt P-I-N. Bên trên bề mặt của lớp bán dẫn ++P , là điện cực vòng Anốt để ánh sáng có thể thâm nhập vào miền bán dẫn I. Trên lớp bán dẫn P có phủ một lớp mỏng chống phản xạ quang để tránh tổn thất ánh sáng chiếu vào. - 26 - b. Nguyên lý hoạt động Điện áp cung cấp cho điôt phân cực ngược dọc theo linh kiện, vì vậy lớp I bị nghèo hoàn toàn trong suốt thời gian hoạt động của nó. Khi ánh sáng đi vào lớp bán dẫn ++P ,trường hợp lý tưởng mỗi photon sẽ sinh ra trong miền ++P , I hoặc ++N , một cặp điện tử - lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống vừa sinh ra sẽ được điện trường mạnh hút về hai phía điện cực, tạo ra một dòng điện ở mạch ngoài và trên tải Re thu được một điện áp Ura. 1.2.4.3 Điôt quang thác (APD) Để tăng độ nhạy của điôt quang, người ta có thể sử dụng hiệu ứng giống như hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện. Cấu tạo của điôt quang sẽ có dạng đặc biệt đó là điôt quang với hiệu ứng quang thác APD-Avalanche Photodiodes. Điôt quang thác giống như điôt quang PIN trừ điện áp phân cực lớn hơn nhiều để tạo ra sự nhân thác lũ về hạt dẫn và như vậy, APD có khuếch đại dòng điện bởi sự ion hóa do va chạm và nhân hạt dẫn. a. Cấu tạo Hình 1.37: Cấu tạo của APD và phân bố điện trường trong điôt APD b. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của APD cơ bản giống như điôt P-I-N. Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong hình 1.38 Theo sơ đồ này, điôt quang thác được phân cực ngược nhờ nguồn Ucc, và tín hiệu điện được lấy ra trên tải Rt. - 27 - Khi chiếu ánh sáng vào, sẽ xuất hiện thêm các điện tử trong miền P sẽ dịch chuyển đến vùng thác của tiếp xúc −P ++N và rơi vào vùng có điện trường mạnh nên được tăng tốc. Các điện tử có tốc độ lớn này sẽ va chạm vào các nguyên tử khác để tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống mới. Hiện tượng này gọi là hiện tượng ion hóa do va chạm. Do đó, dòng điện qua điôt APD tăng nhanh như được khuếch đại lên với hệ số khuếch đại M. Hệ số khuếch đại M phụ thuộc vào điện áp phân cực cho điôt và nó có thể đạt tới 200 lần. 1.2.5. Quang transistor(Photo Transistor) Quang transistor là nới rộng của quang diode. Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở. Quang transistor có một thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N giữa thu và nền. Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít do các dòng điện rỉ (điện thế VBE lúc đó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác động. Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên có dòng rỉ IC0 chạy giữa cực thu và cực nền. Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nên dòng điện cực thu là IC0 (1+β). Đây là dòng tối của quang transistor. Hình 1.38: Ký hiệu, cấu tạo và đặc tuyến của quang transistor. Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền, thì sự xuất hiện của các cặp điện tử và lỗ trống như trong quang diode làm phát sinh một dòng điện IC do ánh sáng nên dòng điện thu trở thành: IC=(β+1)(IC0+Iλ) Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng đều được nhân lên (β+1) lần so với quang diode nên dễ dàng sử dụng hơn. Hình 1.39 trình - 28 - bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thông là một thông số. Ta thấy đặc tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung. Có nhiều loại quang transistor như loại một transistor dùng để chuyển mạch dùng trong các mạch điều khiển, mạch đếm… loại quang transistor Darlington có độ nhạy rất cao. Ngoài ra người ta còn chế tạo các quang SCR, quang triac… Hình 1.39: Một số loại quang bán dẫn khác. * Ứng dụng của quang transistor: - Đóng tắt Relay - Sử dụng trong mạch truyền dẫn điện - 29 - CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - 30 - 2.1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống 2.1.1. Bộ phát hồng ngoại Bộ phát hồng ngoại trong hệ thống em sử dụng là một remote tivi của hãng sony. Đây là thiết bị phát hồng ngoại nhỏ gọn, đặc biệt có nhiều nút mã tín hiệu và dễ sử dụng. * Giải mã tín hiệu remote tivi sony Các máy phát tín hiệu sóng hồng ngoại khác nhau tùy thuộc vào thiết bị điều khiển và do các hãng sản xuất khác nhau. Hình 2.2: Các máy phát tín hiệu hồng ngoại khác nhau của Sony Bộ phát hồng ngoại Bộ điều khiển trung tâm Đối tượng điều khiển Bộ thu hồng ngoại Bộ đóng cắt - 31 - Sony sử dụng mã theo tiêu chuẩn IR. Sử dụng giao thức chế độ rộng xung, hoặc là SIRC. Dùng mã hóa độ rộng xung và điêu chế biên độ. Data payload gồm 7 bits lệnh và 5 bits địa chỉ Dữ liệu được khởi đầu bằng chuỗi xung 2.4ms mark và 0.6ms space để cấu hình cho AGC của máy thu. Tín hiệu sóng mang từ LED hồng ngoại của remote Sony phát ra có tần số khoảng từ 36 Khz đến 38 Khz. Sóng mang này chuyên chở tín hiệu dữ liệu mã hóa có dạng như sau: Hình 2.3: Mã hóa tín hiệu sony - Bit 0 được mã hóa bằng một xung ở mức thấp 600 µs và chuyển trạng thái sang mức cao 600 µs. - Bit 1 được mã hóa bằng một xung ở mức thấp 600 µs và chuyển trạng tháng sang mức cao 1200 µs. Hình 2.4: Định ước bề rộng xung, giải mã bit - 32 - Hình 2.5: Định ước bề rộng xung, cấu trúc Frame dữ liệu Hình 2.6: Định ước bề rộng xung, cấu trúc dãy đầy đủ Xung Start sẽ được phát đi trước và có dạng là một tín hiệu mức cao trong khoảng thời gian 2400 µs, tiếp theo là các bit dữ liệu. Tổng cộng có 12 bits dữ liệu và kết thúc bằng một xung Stop ở mức thấp trong thời gian 2400 µs. Tiếp theo, tín hiệu sẽ được duy trì ở mức thấp trong khoảng thời gian 20 ms và xung Start thứ 2 sẽ được phát đi để báo hiệu cho sự tiếp tục của một khung dữ liệu thứ 2. Khung dữ liệu này hoàn toàn giống với khung dữ liệu trước đó. Và cứ như thế tiếp tục cho đến khi nào phím remote nhả ra thì thôi. Mục đích của chúng ta là phải lấy 12 bits dữ liệu mà remote phát đi. Mỗi phím bấm của remote sẽ cho giá trị 12 bit dữ liệu khác nhau. Dùng chương trình vi điều khiển để phân tích 12 bits dữ liệu này thì chúng ta sẽ điều khiển tắt mở những thiết bị điện từ xa một cách dễ dàng. - 33 - Khi LED thu nhận mã dữ liệu từ LED phát gửi. Mã hóa dữ liệu có dạng: Hình 2.7: Mã hóa dữ liệu nhận 2.1.2. Bộ thu hồng ngoại Khi REMOTE phát tín hiệu hồng ngoại để thu được tín hiệu này ta dùng các thiết bị thu hồng ngoại. Trong hệ thống, em sử dụng LED thu tín hiệu hồng ngoại PIC 1080SCL LED thu tín hiệu hồng ngoại PIC 1080SCL PIC – 1018SCL là IC thu tín hiệu hồng ngoại với những ưu điểm sau: - Là IC có kích thước nhỏ - Phạm vi thu nhận tín hiệu xa (± 45 độ) - Khả năng chống nhiễu tốt. a. Sơ đồ khối của PIC 1018SCL Hình 2.8: Sơ đồ khối của PIC 1018SCL - 34 - b. Nguyên lý hoạt động Tín hiệu hồng ngoại từ nguồn phát qua bộ truyền đến mạch thu được LED hồng ngoại nhận rồi đưa qua ba tầng khuếch đại. Sau đó tín hiệu này được qua mạch lọc băng thông (Band Pass Filter) để chọn dãy băng thông thích hợp. Ở ngõ ra tín hiệu này được qua mạch khuếch đại (AGC) để tăng độ khuếch đại nếu cần thiết. Xung này được qua mạch so sánh và phân tích truớc khi vào mạch Schmitt Trigger. Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh có phản hồi như hình sau: Hình 2.9: Mạch Schmitt Trigger Lúc này do Vin so sánh với tín hiệu ngõ vào V+ là điện thế trên mạch phân áp R4 – R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của Vout, mạch Schimitt Trigger cũa có hai ngưỡng so sánh là VH và VL Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn ngưỡng điện áp của mạch Schmitt Trigger - 35 - Qua hình ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh Vin theo hai ngưỡng HV và LV . Khi điện áp Vin vượt qua HV thì giaù trị Vout là 0V và khi Vin thấp hơn LV thì Vout sẽ ở +Vcc (nghĩa là có sự đảo pha). Nhiệm vụ chủ yếu của mạch Schmitt Trigger là đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu vuông với khả năng chống nhiễu cao. Tín hiệu ngõ ra của mạch Schmitt Trigger qua mạch đảo sẽ cho tín hiệu ở ngõ của PIC – 1018SCL là tín hiệu đảo Hình 2.11: Biểu diễn tín hiệu qua PIC – 1018SCL Nếu có hiện tượng nhiễu thì hãy mắc thêm trở kháng 100 Ohm hoặc tụ khoảng 100µF Hình 2.12: Mạch chống nhiễu cho PIC – 1018SCL c. Thông số kỹ thuật - Nguồn cung cấp 2.5 - 5V , thuờng chọn 5V - Dòng tiêu thụ cực đại ngõ vào =0, Ic=1.5mA - Tần số dao động F0 =37.9KhZ - 36 - - Tín hiệu ngõ ra là tín hiệu đảo - Mức cao ngõ ra VOH=VCC-0.5v - Mức thấp ngõ ra VOL=0.2v - Độ rộng xung = 60us - Hoạt động ở nhiệt độ từ -10->+60 2.2.3. Bộ điều khiển trung tâm 2.2.3.1. Giới thiệu Trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của công nghệ bán dẫn, kĩ thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc. Các thiết bị điện tử sau đó đã được tích hợp với mật độ cao và rất cao trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử nhỏ hơn và nhiều chức năng hơn. Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử có mặt khắp mọi nơi. Bước đột phá mới trong công nghệ điện tử, đó là cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên của công ty Intel. Đột phá ở chỗ: "Chức năng của kết cấu logic có thể thay đổi bằng chương trình ngoài chứ không phát triển theo hướng tạo một cấu trúc phần cứng chỉ thực hiện theo một số chức năng nhất định như trước đây. Tuy bộ vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý…, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối với các bài toán và hệ thống lớn. Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán không đòi hỏi khả năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc. Bởi vì hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp phức tạp như nhau. Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối này, cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện được công việc. Để kết nối các khối này đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế. Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho - 37 - các hệ thống nhỏ. Với một số nhược điểm trên, nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là Microcontroller-Vi điều khiển. Vi điều khiển có khả năng tương tự như khả năng của vi xử lý nhưng cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn. Vi điều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi đối với người dùng, họ không cần nắm vững một khối lượng kiến thức quá lớn như người dùng vi xử lý kết cấu mạch điện dành cho người dùng cũng trở nên đơn giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên ngoài. Vi điều khiển tuy được xây dựng với phần cứng dành cho người sử dụng đơn giản hơn, nhưng thay vào lợi điểm này là khả năng xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm hơn và khả năng tính toán ít hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn). Thay vào đó, vi điều khiển có giá thành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, việc sử dụng đơn giản, thích hợp cho các ứng dụng có chức năng đơn giản, không đòi hỏi tính toán phức tạp. Chẳng hạn như trong các dây chuyền tự động loại nhỏ, các robot có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô v. v.. . AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. AVR là chip vi điều khiển 8bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí. Hầu hết các chip AVR có những tính năng (features) sau: - Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên đến 8 MHz (sai số 3%). - Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM. - Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM. - Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional). - 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM. - Các bộ chuyển đổi Analog – Digital, phân giải 10 bits, nhiều kênh; - 38 - - Chức năng Analog comparator. - Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232). - Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và Slaver. - Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI). Một số chip AVR thông dụng: • ATmega16 • ATmega161 • ATmega162 • ATmega163 • ATmega169 • ATmega32 • ATmega323 • ATmega103 • ATmega64/128/2560/2561 • AT86RF401. 2.2.3.2. Công cụ a. Trình biên dịch: Dùng đế biên dịch code của thành file intel hex để nạp vào chip. Một số trình dịch quen thuộc có thể kể đến như sau: - RStudio: là trình biên dịch ASM chính thức cung cấp bởi Atmel - Aavrasm: cũng được cung cấp bởi Atmel, nó chính là tiền thân của AvrStudio. - InAVR hay avr-gcc: là bộ trình dịch được phát triển bởi gnu, ngôn ngữ sử dụng là C và có thể được dùng tích hợp với AvrStudio (dùng Avrstudio làm trình biên tập – editor). Đặc biệt bộ biên dịch này cũng miễn phí và đa số nguồn source code C được viết bằng bộ này - CodeVisionAvr: một chương trình bằng ngôn ngữ C rất hay cho AVR, hỗ trợ nhiều thư viện lập trình. - 39 - - CCAVR: lập trình C cho AVR. - AscomAVR: lập trình cho AVR bằng basic, đây là trình biên dịch khá hay và dễ sử dụng, hỗ trợ rất nhiều thư viện. Tuy nhiên rất khó debug lỗi và không thích hợp cho việc tìm hiểu AVR. …. b. Chương trình nạp (Chip Programmer): Đa số các trình biên dịch (AvrStudio, CodeVisionAVR, Bascom…) đều tích hợp sẵn 1 chương trình nạp chip hỗ trợ nhiều loại mạch nạp. Trong trường hợp khác, có thể sử dụng các chương trình nạp như Icprog hay Ponyprog.. c. Mạch nạp Một số mạch nạp thông dụng: - Mạch nạp STK200/300. Mạch nạp loại này sử dụng cho các board STK200/300 của Atmel nên thường được gọi là STK200/300. Mạch này giao tiếp với máy tính qua cổng LPT (cổng song song). Có 2 phiên bản phổ biến của mạch STK200/300 là phiên bản thu gọn và phiên bản sử dụng IC đệm 74xx244. - 40 - Hình 2.13: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 thu gọn Đây là loại mạch đơn giản nhất trong tất cả các loại mạch nạp cho AVR, mạch chỉ bao gồm 4 điện trở. Nhược điểm của mạch này là không an toàn, có thể gây hại cho cổng LPT. Mặt khác mạch này không đảm bảo nạp được cho tất cả các chíp AVR. - Mạch nạp STK200/300 sử dụng IC đệm 74xx244. - 41 - Hình 2.14: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 có IC đệm. Mạch này có phức tạp hơn đôi chút nhưng bù lại nó là mạch nạp rất ổn định và an toàn. Mạch này được hỗ trợ bởi rất nhiều chương trình nạp và sử dụng được cho hầu hết các loại chip AVR. Một số hình ảnh về mạch nạp STK200/300 ngoài thị trường. - 42 - Hình 2.15: Mạch nạp STK200/300. - Mạch nạp USB AVR910 Tuy mạch nạp STK200/300 đơn giản, dễ chế tạo nhưng có một hạn chế là mạch này sử dụng cổng LPT làm cổng giao tiếp. Trên một số máy tính gần đây cổng LPT đã bị loại bỏ, thay vào đó các cổng USB đã trở thành cổng giao tiếp không thể thiếu của máy tính. Một mạch nạp sử dụng cổng USB sẽ tiện lợi hơn rất nhiều so với cổng LPT hay COM. Có một số dự án nghiên cứu chế tạo mạch nạp USB cho AVR, trong số đó phổ biến nhất là mạch nạp AVR910 USB của Prottoss. - 43 - Hình 2.16: Mạch nguyên lý AVR910 USB 2.2.3.3. Vi điều khiển ATmega 32 a. Đặc tính ATmega 32 • Up to 16 MHz • On-chip 2-cycle Multiplier • 16K Bytes of In-System Self-Programmable Flash • 1024 Bytes EEPROM • 2K Byte Internal SRAM • Three Timer/Counters • Four PWM Channels • 8-channel, 10-bit ADC • Programmable Watchdog Timer • Full Duplex Operation USART - 44 - b. Chức năng ATmega là bộ vi điều khiển được chuẩn hóa và được sử dụng trong công nghiệp. Trên thị trường có các loại vi điều khiển khác nhau như PLC, MCUs của Philips. Các loại vi điều khiển này được sử dụng chuyên dụng theo chức năng cần điều khiển. Chức năng Họ 8051 AVR(PIC) PLC Khả trình - Có thể nạp lại nhiều lần (89Cxx). - Cũng có thể chỉ nạp một lần(8051). - Nạp lại được nhiều lần - Nạp lại được nhiều lần Bộ nhớ chương trình. - Có bộ chương trình trong chip (89Cxx, 8051, …) - Phải có bộ nhớ chương trình ngoài (8031) - Có hỗ trợ bộ nhớ chương trình ngoài. - Tất cả đều có bộ nhớ chương trình trong chip (1K, 2K, …, 32, 64, …). - Không hỗ trợ bộ nhớ chương trình ngoài - Có bộ chương trình trong CPU đối với một số loại (Fx…). - Phải có bộ nhớ chương trình ngoài đối với một số họ (A2A, A3A, AnA, …). - Có hỗ trỡ bộ nhớ chương trình ngoài. RAM - Có RAM trong chip (89Cxx, 8051, …) - Phải có RAM ngoài (8031) - Có hỗ trỡ RAM ngoài. - Tất cả đều có RAM trong chip. - Không hỗ trợ RAM ngoài - Có RAM trong CPU. - Có hỗ trỡ RAM ngoài. EEPROM - Không hỗ trợ EEPROM trong. - Có EEPROM trong (1K, 2K, …). - Có EEPROM trong (1K, 2K, …). ALU - 8 bits - 8 bits. Tùy từng loại (8 bits, 16 bits…) Timer/ Counter - Hạn chế cả về số lượng và số bít. (có thể là 2, 3. Số bít có thể là 8, 16) - Hạn chế cả về số lượng và số bít (có thể là 2, 3. Số bít có thể là 8, 16) - Rẩt nhiều, tùy từng loại (có thể là 256, 512, 1024, 2048, … Số bít có thể là 8, 16, 32) - 45 - Thanh ghi đa mục đích. - Hạn chế cả về số lượng và chức năng. (có thể là 32 thanh ghi (89C51). ) - Hạn chế cả về số lượng và chức năng. (có thể là 32(Atmega32). ) - Số lượng nhiều và cũng đa chức năng (thanh ghi lỗi, mạng, …) PWM - Không có phần cứng hỗ trợ. - Hỗ trợ phần cứng điều khiển bằng phần mềm (4 PWM_Atmega32) - Có modul chuyên dụng ADC - Không có. - Hỗ trợ ADC, có thể điều khiển được bằng chương trình (thường ADC 10 bits và có khoảng 6, 7, 8,. . kênh). - Có modul chuyên dụng, tốc độ, số lượng, độ phân giải tùy thuộc từng modul. DAC - Không có. - Không có. - Có modul chuyên dụng, tốc độ, số lượng, độ phân giải tùy thuộc từng modul. Khuếch đại thuật toán - Không có. - Có hỗ trợ (ví dụ: 2 đối với Atmega) - Có modul chuyên dụng, tốc độ, số lượng thuộc từng modul. Truyền thông - Phần cứng chỉ hỗ trợ USART - Phần cứng hỗ trợ USART, JTAG (IEEE std. 1149. 1 Compliant) Interface, Master/Slave SPI Serial Interface, … - Có rất nhiều chuẩn giao tiếp. (RS-232, RS485, …) Input - Có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên ngoài. - Số lượng ít, nhiều nhất là 32(8051). - Có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên ngoài. - Số lượng hạn chế (Atmega64 là 53). - Có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên ngoài. - Có loại phải thông qua modul vào ra riêng. - Số lượng nhiều (4096_CPUA2A) Otput - Có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên ngoài. - Công suất ra thấp (PMax (sink) khoảng -Có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên ngoài. - Công suất ra thấp (PMax (sink or souse) - Có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên ngoài. - Có loại phải thông qua modul vào ra riêng. - Công suất ra cao, có thể - 46 - 50mW, PMax (souse) khoảng 0. 5mW). - Số lượng ít, nhiều nhất là 32(8051). khoảng 250mW). - Số lượng hạn chế (Atmega64 là 53). là dòng Sink or Souse (P(sink or souse) tùy từng loại 0. 5, 250, 48000, …mW). -Số lượng nhiều (4096_CPUA2A) Modul - Không có - Không có - Tùy từng loại có thể hỗ trợ hoặc không. - Chức năng đa dạng, sử dụng đa mục đích. Nạp chương trình - Phải có mạch nạp ngoài. - Có thể nạp trực tiếp hoặc thông qua mạch nạp - Có thể nạp trực tiếp hoặc thông qua mạch nạp. Ngôn ngữ lập trình. - Các ngôn ngữ lập trình (pascal, C, C++, VB, VC, ASM, …). - Các ngôn ngữ lập trình (pascal, C, C++, VB, VC, ASM, …). - Đa số sử dụng STL hay Lader (tools của nhà sản xuất PLC). Tốc độ - Không cao, thường 0=>2Mhz - Cao, thường 0=>20Mhz - Tùy từng loại, nhưng thường không cao. Kiểu quét chương trình - Thực hiện lần lượt - Thực hiện lần lượt. - Quét vòng lần lượt. Khả năng chống nhiễu. - Không cao. - Có khả năng chống nhiễu tốt. - Khả năng chống nhiễu cao. Ứng dụng - Làm thí nghiệm, sử dụng trong môi trường “trong sạch”. - Làm thí nghiệm, sử dụng trong công nghiệp, các hệ đơn giản, ít đầu vào ra, không gian hẹp. - Làm thí nghiệm, sử dụng trong công nghiệp, các hệ thống lớn, nhiều đầu vào ra. Có thể làm được trong mọi hệ thống. Hỗ trợ bên ngoài. - Cần phải có hỗ trợ rất nhiều từ bên ngoài. - Cần phải có hỗ trợ rất nhiều từ bên ngoài. - Có thể hoạt động không cần sự hỗ trợ mạch ngoài. Kích thước - Nhỏ, gọn, nhiều kích thước. - Nhỏ, gọn, nhiều kích thước. - To. Bảng so sánh chức năng các họ vi điều khiển - 47 - 2.2.4. Thiết bị đóng ngắt điện Để đóng và ngắt điện trong hệ thống, em sử dụng role điện từ. Đây là thiết bị đóng ngắt điện khá phổ biến, đạt hiệu quả cao và an toàn khi sử dụng. a. Khái niệm và công dụng Rơle điện từ là một loại khí cụ điện thường dùng để đóng ngắt mạch điện tự động. Rơle điện từ thường được dùng trong các mạch khởi động động cơ, mạch điều khiển từ xa, mạch chống trộm…. Rơle điện từ cớ 2 loại: - Rơle điện từ 1 chiều:Dùng để điều khiển trong mạch điện 1 chiều. - Rơle điện xoay chiều:Dùng để điều khiển trong mạch điện xoay chiều b. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của rơle điện từ - Rơle điện từ có các bộ phận sau: Lõi từ, cuộn dây, tiếp điểm thường đóng, tiếp điểm thường mở, phần ứng, lò xo. - Khi dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ sinh ra lực hút điện từ hút phần ứng về phía tiếp điểm C1. Lực hút điện từ có giá trị tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện và tỷ lệ nghịch với khoảng cách khe hở mạch từ F= 2 2 δ ki Hình 2.17: a- Cấu tạo của relay điện từ b- Hình dạng một số rơle điện tử a) b) - 48 - - Khi dòng điện trong cuộn dây nhỏ hơn dòng tác động i< Iid thì lực hút điện từ nhỏ hơn lực kéo lò xo F< Flx, phần ứng đứng yên. - Khi i> Itd thì lực hút điện từ lớn hơn lực kéo lò xo F>Flx, phần ứng bị hút về phía làm cho khe hở mạch từ nhỏ nhất,tức là bị hút về phía C1. Khi khe hở mạch từ nhỏ, lực hút càng tăng, phần ứng được hút dứt khoát về phía C1. - Khi dòng điện trong cuộn dây giảm i<Iiđ lực lò xo sẽ thắng lực hút điện từ. Lò xo kéo tấm động ra khỏi phần tĩnh, khe hở mạch từ tăng, lực điện từ càng giảm, lò xo kéo dứt khoát phần ứng về phía C2 c. Các thông số cơ bản - Điện áp định mức cuộn hút: là điện áp cấp cho cuộn dây làm việc ở chế độ lâu dài. Điện áp này có thể là một chiều 9V,V12V,V24V,110V, 220V, 440V và 24V, 110V, 220V, 440V xoay chiều. Điện áp này ghi trên cuộn hút. - Điện áp định mức đm U : Điện áp làm việc lâu dài của mạch điện mà rơle khống chế, điện áp định mức có thể là 24V, 110V, 220V, 440V một chiều và 24V, 110V,127V, 380V, 500V xoay chiều. - Dòng điện định mức đmI : Dòng điện dài hạn qua tiếp điểm của rơle mà không làm hỏng tiếp điểm. - Tuổi thọ cơ khí: Được tính bằng số lần đóng ngắt, thường là vài trăm ngàn lần đóng ngắt không điện và một trăm ngàn lần đóng ngắt có dòng điện định mức. - Điện áp cách điện: Điện áp thử cách điện. - Thời gian tác động: Là khoảng thời gian trễ từ lúc dòng điện vượt qua giá trị tác động đến lúc phần tác động được hút hoàn toàn vào phần tĩnh, thường vào khoảng từ 2 đến 20ms. - Tần số tác động: Là số lần tác động trong một đơn vị thời gian. 2.2.5. Đối tượng điều khiển Đối tượng điều khiển sử dụng trong hệ thống là 2 động cơ điện một chiều a. Đinh nghĩa động cơ điện một chiều: là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. b. Cấu tạo: Gồm có 3 phần chính - 49 - + Stator (đứng yên) là phần cảm sinh ra từ trường trong mạch từ của động cơ điện 1 chiều thường 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện + Rotor (quay) là phần ứng có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều. + Cổ góp, chổi than là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Phần cảm (phần kích từ- thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I. Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor Pha 2: Rotor tiếp tục quay Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường stator và rotor cùng dấu trở lại pha 1 - 50 - tạo ra mômen theo một chiều nhất định). Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau: I = (VNguon − VPhanDienDong) / RPhanUng Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng: P = I * (VPhanDienDong) * Động cơ sử dụng trong hệ thống - Loại động cơ nguồn 24VDC, tốc độ 140vòng/phút, công suất 17W.Sử dụng để quay tròn ngang. Hình 2.18: Động cơ dùng để quay tròn ngang - Loại động cơ sử dụng nguồn 24VDC, tốc độ 50vòng/phút, công suất 7W, khối lượng 100g. Dùng quay dọc. - 51 - Hình 2.19: Động cơ dùng quay dọc 2.2. Thiết kế và thi công phần cứng 2.2.1. Thiết kế và thi công cơ khí 2.2.1.1. Yêu cầu thiết kế + Thiết kế đèn trang trí sử dụng ở trong các sân khấu ca nhạc, vũ trường, các rạp chiếu phim…. + Đèn gồm một hệ thống đèn LED được gắn chặt trên một hệ thống quay, có thể quay theo nhiều hướng để vệ đèn tạo ra nhiều hình dạng khác nhau. + Mạch điều khiển đèn quay: Mạch công suất điều khiển 2 motor làm quay hệ thống. + Mạch thu phát tín hiệu IR. + Mạch VĐK để nhận tín hiệu từ mạch thu hồng ngoại rồi giải mã và đưa tín hiệu điều khiển ra mạch công suất để điều khiển các động cơ DC. + Hệ thống có kết cấu chắc chắn, gọn nhẹ, đảm bảo tính mỹ thuật. + Mạch điện gọn, ổn định, an toàn. - 52 - 2.2.1.2. Các phơng án thiết kế a. Phương án 1: Thiết kế đèn trang trí treo trên tường. Hình 2.20: Mô hình thiết kế tổng thê. * Nguyên lý hoạt động Cắm nguồn điện 220V, qua biến áp trong đèn biên đổi thành nguồn 24 V cung cấp cho bộ sử lý trung tâm và động cơ. Động cơ quay dọc sẽ được lấy nguồn trực tiếp từ biến áp, đối với động cơ quay ngang lấy nguồn qua đĩa dẫn điện. Chức năng hoạt động của đèn đều được điều khiển từ xa bằng remote sony. Nhấn nút remote phát tín hiệu qua LED phát, tín hiệu này sẽ được thu bởi LED thu và gửi tín hiệu đến bộ sử lý trung tâm. Tại Bộ sử lý trung tâm sẽ giải mã tín hiệu và điều khiển mã tín hiệu (Điều khiển 2 động cơ quay ngang,quay dọc và hệ thống đèn). Ứng với mỗi mã tín hiệu sẽ thực hiện một hoặc nhiều chức năng,phụ thuộc vào chương trình điều khiển. 1: Đế 2: Đĩa dẫn điện 3: Động cơ quay ngang 4: Thân quay 5: Trục động cơ quay dọc 6: Đèn - 53 - Hình 2.21: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 1) - 54 - * Ưu điểm: + Dễ chế tạo + Kích thước gọn, thẩm mỹ + Lập trình đơn giản * Nhược điểm: + Yêu cấu tính toán và lắp ghép chi tiết thật chinh xác + Di chuyển và nắp đặt khó + Ánh sàng phát ra bị giới hạn bởi tường và thân quay ngang b. Phương án 2: Thiết kế đèn trang trí để dưới mặt sàn. Hình 2.22: Mô hình thiết kế tổng thể * Nguyên lý hoạt động Về nguyên tắc hoạt động, cơ bản mô hình theo phương án 2 hoạt động giống như phương án 1. Nhưng phương án 2 thiết kế với mục đích để dưới mặt sàn. 1: Đế 2: Trục động cơ quay ngang 3: Thân quay 4: Đèn 5: Động cơ quay dọc - 55 - Hình 2.23: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 2) - 56 - * Ưu điểm + Đèn chiếu sáng trong không gian rộng + Hệ thống có kết cấu chắc chắn + Dễ chế tạo + Tính ổn định cao + Lập trình tương đối đơn giản + Di chuyển và lắp đặt dễ dàng * Nhược điểm + Phải tính toán, phân bố trọng lượng thân quay tròn ngang thật đều + Cần phải lắp ghép các chi tiết thật chính xác * Lựa chọn phương án chế tạo: Từ việc so sánh các ưu nhược điểm của các phương án thiết kế trên. Em chọn ý tưởng 2 làm phương án chế tạo. Đây là ý tưởng thỏa mãn các yêu cầu của sản phẩm, có cơ cấu chắc chắn, thẩm mỹ và dễ chế tạo. 2.2.2. Thiết kế và thi công mạch điện 2.2.2.1. Mạch nguyên lý a. Khối nguồn C9 2200uF C10 104 C11 1100uF C12 104 U2 LM7805 VI 1 G N D 2 VO 3 D3 DIODE J25 Jump 2 1 2 +5V R2 1k D9 RED Hình 2.24: Mạch nguyên lý khối nguồn * Chức năng các linh kiện trong mach Khối nguồn tạo ra điện áp 5VDC làm nguồn nuôi của vi điều khiển. - Diode D3 dùng để bảo vệ mạch trong trường hợp cấp ngược cực nguồn. - Tụ C9 và C10 dùng để xả điện áp trong trường hợp bị sụt áp nguồn vào. - IC 7805 là IC ổn áp dùng để tạo ra nguồn 5V. - 57 - - Tụ C11 và C12 dùng để xả (ổn định) điện áp trong trường hợp bị sụt áp ở đầu ra. * Nguyên lý hoạt động - Điện áp 12VDC lấy từ acqui sau khi qua điot D3 rồi qua IC ổn áp 7805 cho ra điện áp 5VDC được lọc và ổn định nhờ tụ C11, C12 và được đưa vào vi điều khiển. b. Khối vi điều khiển MISO SCK +5V MOSI S2 Reset D1 4148 Y2 12MHz C1 1u 2 00n C6 100n U3 ATMEGA32 PB0/XCK/T0 1 PB1/T1 2 PB2/INT2/AIN0 3 PB3/OC0/AIN1 4 PB4/SS 5 PB5/MOSI 6 PB6/MISO 7 PB7/SCK 8 RESET 9 VCC 10 GND 11 XTAL2 12 XTAL1 13 PD0/RXD 14 PD1/TXD 15 PD2/INT0 16 PD3/INT1 17 PD4/OC1B 18 PD5/OC1A 19 PD6/ICP 20 PD7/OC2 21 PC0/SCL 22 PC1/SDA 23 PC2/TCK 24 PC3/TMS 25 PC4/TDO 26 PC5/TDI 27 PC6/TOSC1 28 PC7/TOSC2 29 AVCC 30 AGND 31 AREF 32 PA7/ADC7 33PA6/ADC6 34PA5/ADC5 35PA4/ADC4 36PA3/ADC3 37PA2/ADC2 38PA1/ADC1 39PA0/ADC0 40 +5V C7 27p R3 10K D2 4148 C8 1u +5V Reset +C13 4.7u C14 100n C15 27p TXD RXD J31 Jump 8 1 2 3 4 5 6 7 8 J32Jump 8 1 2 3 4 5 6 7 8 RXD TXD MOSI J33Jump 8 1 2 3 4 5 6 7 8 SCK MISO Reset +5V J34 Jump 8 1 2 3 4 5 6 7 8 J29 Jump 2 1 2 J30 Jump 6 1 2 3 4 5 6 Hình 2.25: Mạch nguyên lý khối vi điều khiển Đây là khối điều khiển trung tâm. Khối này chịu trách nhiệm điều khiển mọi hoạt động của hệ thống. * Nguyên lý hoạt động - Vi điều khiển ATmega 32 là chíp khả trình. Do vậy khi được nạp chương trình điều khiển, chip sẽ thực hiện chương trình điều khiển này sau khi đã mã hóa ngôn ngữ máy chỉ gồm các bit 0 và 1. - 58 - - Khối tạo xung gồm thạch anh và hai tụ pi lắp 27 tạo dao động hệ thống cho Vi điều khiển. - Khối nút nhấn reset rất quan trọng khi ta nhấn nút này thì chân reset của ATmega32 sẽ ở trạng thái “0“ và lúc này chương trình trong chip sẽ được reset về trạng thái đầu. c. Khối thu hồng ngoại 0 +5V J13 Jump 3 1 2 3 OUT1 R11 0.047K R13 0.1K C11 47uF Hình 2.26: Mạch nguyên lý khối thu hồng ngoại Mạch lọc RC để lọc những thành phần sóng hài. Ngoài ra, ở chân data đưa về PIC mắc thêm tụ 47µF để lọc các xung kim. d. Khối công suất J13 Jump 2 1 2 5V DK_PWM DK_ROLE J15 Jump 3 1 2 3 12V 5V R72 1k DK_ROLE DK_PWM OPTO1 12V K_PWM1 OPTO2 R70 10K ISO11 PC817 1 2 4 3 ISO12 PC817 1 2 4 3 ROLE1 12V Q16 Q2SC1815 J12 MOTOR1 1 2Q21 IRF540N/TO R67 10K C18 104 R80 1K D45 DO R68 1K K_PWM1 D18 4007 ROLE1 12V 12V R81 1K D46 XANH LS9 RELAY 1 3 4 5 6 8 7 1 2 R82 1k R83 1k Hình 2.28: Mạch nguyên lý mạch điều khiển động cơ - 59 - * Chức năng: Mạch động lực trực tiếp cấp điện và đảo chiều cho động cơ - Các điện trở R82,R83 và 2 Opto tạo thành khối cách ly,tác dụng bảo vệ Vi điều khiển không bị treo khi đang hoạt động. - Diode D18 dùng để bảo vệ Rơ le. - Tụ pi C11 dùng để lọc nhiễu đảm bảo cho điện áp không bị nhiễu bởi động cơ. - Hai Led D45 mắc nối tiếp với trở R10 và D46 được mắc nối tiếp với trở R11 dùng để hiển thị khi động cơ chạy thuận và chạy nghịch. 2.2.2.2. Mạch in a. Khối điều khiển trung tâm Hình 2.29: Mạch in khối điều khiển trung tâm b. Khối công suất Hình 2.30: Mạch in khối relay - 60 - 2.2.3. Mô hình sản phẩm hoàn thiện Hình 2.31: Hình dạng tổng thể hệ thống * Một số hình dạng các chi tiết trong hệ thống Hình 2.32: Động cơ quay ngang và đĩa dẫn điện Đĩa dẫn điện Động cơ quay ngang - 61 - Hình 2.33: Mạch điều khiển trung tâm Hình 2.34: Mạch rơle - 62 - 2.3. Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển Lập trình cho hệ thống trong đề tài em sử dụng ngôn ngữ C với trình biên dịch CodeVisionAvr: một chương trình bằng ngôn ngữ C hỗ trợ nhiều thư viện lập trình. 2.3.1. Lưu đồ giải thuật a. Giải thuật giải mã tín hiệu Sony Hình 2.35: Giải thuật giải mã tín hiệu sony Begin Signal =1 I ++ I= 13 Signal = 0 I = 0 Tam>75 I = 2 Data= 0. Data<<=1 Data= Data|01 Tam<45 Tam<75 Data<<=1 Tam = 0 -63- b. Giải thuật điều khiển mã phím Hình 2.36: Giải thuật điều khiển mã phím Bắt đầu Đọc remote Quay ngang đảo,quay dọc, đèn sáng. Key=2039 (Phím số 1) Đèn sáng nháp nháy. LED đỏ sáng xoay tròn Quay ngang thuận,quay dọc đèn sáng Key= 1015 (Phím số 2) Key= 1520 (Phím số 3) Key= 503 (Phím số 4) Key= 1783 (Phím số 5) Key = 759 (Phím số 6) Key = 1271 (Phím số 7) Key = 247 (Phím số 8) Dừng quay ngang,quay dọc đèn sang Dừng quay dọc LED trắng sáng xoay tròn Quay dọc, đèn sáng Kết thúc - 64 - 2.3.2. Chương trình điều khiển //==================Các thư viện vào ra=====================// #include #include #include #include #include //================= Các mã phím chức năn g==================// // Input/Output Ports initialization // Port A initialization PORTA=0xFF; DDRA=0xFF; // Port B initialization PORTB=0x00; DDRB=0x00; // Port CB initialization PORTC=0xFF; DDRC=0xFF; // Port DB initialization PORTD=0x00; DDRD=0b11111000; //0b11111100 // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 8000.000 kHz // Mode: Normal top=FFh // OC0 output: Disconnected TCCR0=0x01; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; - 65 - // Timer/Counter 1 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 125.000 kHz // Mode: Fast PWM top=00FFh // OC1A output: Discon. // OC1B output: Inverted // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer 1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x31; TCCR1B=0x0B; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer 2 Stopped // Mode: Normal top=FFh // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; - 66 - TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: On // INT0 Mode: Falling Edge // INT1: Off // INT2: Off GICR|=0x40; MCUCR=0x02; MCUCSR=0x00; GIFR=0x40; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization // USART initialization // Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity // USART Receiver: On // USART Transmitter: On // USART Mode: Asynchronous // USART Baud rate: 9600 UCSRA=0x00; UCSRB=0xD8; UCSRC=0x86; UBRRH=0x00; UBRRL=0x33; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // Global enable interrupts - 67 - #asm("sei") //====================Các Modun truyền thông=================// // Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity // USART Receiver: On // USART Transmitter: On // USART Mode: Asynchronous // USART Baud rate: 9600 //==============Module ngắt khi nhận dữ liệu về ==========// // USART Receiver interrupt service routine interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr(void) { char status,data; status=UCSRA; data=UDR; if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0) { rx_buffer[rx_wr_index]=data; if (++rx_wr_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_wr_index=0; if (++rx_counter == RX_BUFFER_SIZE) { rx_counter=0; rx_buffer_overflow=1; }; //========Get data=RX[rx_index]=======// if((rx_counter!=0)&&(rx_index<150)) { RX[rx_index++] = getchar(); } //===============================// }; } //====================Module nhận dữ liệu:==================// #ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_ // Get a character from the USART Receiver buffer - 68 - #define _ALTERNATE_GETCHAR_ #pragma used+ char getchar(void) { char data; //while (rx_counter==0); data=rx_buffer[rx_rd_index]; if (++rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0; #asm("cli") --rx_counter; #asm("sei") return data; } #pragma used- #endif //===================Module ngắt khi gởi dữ liệu ===================// // USART Transmitter interrupt service routine interrupt [USART_TXC] void usart_tx_isr(void) { if (tx_counter) { --tx_counter; UDR=tx_buffer[tx_rd_index]; if (++tx_rd_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_rd_index=0; }; } //=========Module gỏi dữ liệu xuống đường truyền:==============// #ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_ // Write a character to the USART Transmitter buffer #define _ALTERNATE_PUTCHAR_ #pragma used+ void putchar(char c) { while (tx_counter == TX_BUFFER_SIZE); #asm("cli") if (tx_counter || ((UCSRA & DATA_REGISTER_EMPTY)==0)) { tx_buffer[tx_wr_index]=c; - 69 - if (++tx_wr_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_wr_index=0; ++tx_counter; } else UDR=c; #asm("sei") } #pragma used- #endif //=================Modun Chương trình giải mã =================// interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { start=1; i++; if(i==13) //kết thúc frame { i=0; start=0; } if(tam>75) //xác định bit start { i=2; data=0; } if(tam<45) //xác định bit 1 { data<<=1; data=data|0x01; } else if(tam<75) //xác định bit 0 - 70 - data<<=1; tam=0; } //================ chương trình điều khiển truyền ==============/ while (1) { // =============================================// if (data==2039) //phim so 1 { putchar(0x01); quay_ngang_thuan(); } //===============================================// if(data==1015) //phim so 2 { putchar(0x02); quay_ngang_dao(); } //=========================================// if(data==1527) //phim so 3 { putchar(0x03); stop_motor_ngang(); } //==============================================// if(data==503) //phim so 4 { putchar(0x04); } - 71 - // ===============================================// if(data==1783) //phim so 5 { putchar(0x05); } //===============================================// if(data==759) //phim so 6 { putchar(0x06); } //=============================================// if(data==1271) //phim so 7 { putchar(0x08); } //=============================================// if(data==247) //phim so 8 { putchar(0x09); } //==============================================// if(data==1911) //phim so 9 { putchar(0x10); } /*=============Chương trình điều khiển nhận=============*/ if(rx_counter) { tam = getchar(); - 72 - switch(tam) { case 0x01: { sangnhapnhay(); PORTA = ~ PORTA; delay_ms(100); } break; case 0x02: { quay_doc_dao(); } break; case 0x03: { stop_motor_doc(); ledtrangxoaytron(); } break; case 0x04: { quay_doc_thuan(); } break; case 0x05: { sangnhapnhay(); } - 73 - break; case 0x06: { leddoxoaytron(); } break; } } - 74 - CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ - 75 - * Thử nghiệm điều khiển remote trong điều khiển bình thường (không có các thiết bị thu và phát sóng như radio, loa đài, mic…), nhận thấy: - Với khoảng cách từ 1 đến 7m, đèn quay trang trí cho đáp ứng nhanh, chạy theo đúng chức năng điều khiển. Khi khoảng cách điều khiển remote 10m đến 12m cho đáp ứng chậm hơn một khoảng thời gian t∆ (khoảng thời gian t∆ là rất nhỏ). Nếu khoảng cách điều khiển lớn hơn 12m, thì đèn không nhận tín hiệu điều khiển, kết quả trên thu được là tương đối. Vì theo quy định của nhà sản xuất thì bộ thu phát có thể đạt được khoảng cách thu phát 15m, việc giảm khoảng cách thu phát do linh kiện và kỹ thuật làm mạch mang tính thủ công. - Điều khiển remote ở góc nghiêng khác nhau: Cho remote có Led phát vuông góc với LED thu ở khoảng cách đèn trang trí cho đáp ứng nhanh(1m đến 7m)thì đèn thu tín hiệu tốt.Thay đổi góc LED phát lệnh so với LED thu trong khoảng (0- 045 ) theo phương ngang, nhấn nút remote hệ thống chạy đúng chức năng điều khiển. Tiếp tục thay đổi góc giữa LED phát và LED thu theo phương ngang lớn hơn, nhận thấy LED thu không có tín hiệu. Kết quả góc điều khiển trên tương đối chính xác theo quy định của nhà sản xuất về góc điều kiện của Led thu. - Điều khiển động cơ chạy ở tốc độ thấp (PWM={50, 120}) hệ thống chạy ổn định, phát ra tiếng động nhỏ. Khi tốc độ động cơ quay ngang tăng dần (PWM={120, 255}) hệ thống bắt đầu phát ra tiếng ồn lớn lên, PWM={230, 255) tiếng ồn phát ra lớn nhất. Nguyên nhân do sự mài mòn của đĩa dẫn điện tăng khi tốc độ động tăng lên và khi động cơ chạy tốc độ nhanh nhất thì sự mài mòn của đĩa dẫn điện diễn ra cũng cao nhất, dẫn đến hệ thống phát ra tiếng ồn lớn nhất. * Thử nghiệm điều khiển remote trong điều kiện có thiết bị thu phát sóng khác trong môi trường xung quanh. Đặt một loa và một micro ở bên cạnh đèn trang trí, sau đó điều khiển remote trong khoảng cách từ (1m-7m) thì đèn vẫn nhận tín hiệu, chạy theo chức năng điều khiển. Với khoảng cách xa hơn (10m-12m) đèn cho đáp ứng chậm hơn nhưng thời gian là rất nhỏ và vẫn chạy theo đúng các phím chức năng điều khiển. Thí nghiệm này chứng tỏ bộ thu phát sóng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu. - 76 - CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT - 77 - 4.1. Kết luận Sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và thi công, mô hình đèn trang trí điều khiển từ xa đã chế tạo thành công. Sản phẩm đáp ứng các yêu cầu sau: + Các chức năng hoạt động của đèn đều được điều khiển từ xa,khoảng cách giới hạn điều khiển 12m. + Đèn có thể quay theo nhiều hướng khác nhau, nhiều cấp tốc độ và quay đảo chiều + Đèn có thể phát ra ánh sáng xa,nhiều màu sắc. Khi quay vệ đèn tạo thành nhiều hình dạng. + Sự kết hợp ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển từ xa, giúp quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm đơn giản hơn, tiết kiệm thời gian và chi phí thiết bị.Nhưng hiệu quả đạt được vẫn cao. + Sản phẩm gọn gàng, có tính thẩm mỹ. 4.2. Đề xuất Đèn trang trí đã chế tạo thành công theo yêu cầu đặt ra nhưng trong sản phẩm có một số chi tiết còn hạn chế về mặt kỹ thuật. Để hệ thống hoàn thiện hơn và có thể làm tài liệu tham khảo thêm cho các bạn khóa sau phát triển đồ án. Em xin đề xuất một số ý kiến: - Cần chế tạo đĩa dẫn điện cứng hơn, để có khả năng chịu mài mòn tốt. Hoặc có thể chế tạo một đĩa dẫn điện bằng con lăn giúp hệ thống chạy êm hơn. - Có thể thay động cơ một chiều bằng các động cơ servo hay động cơ bước để có thể điều khiển được chính xác góc quay của đèn, từ đó tăng độ linh hoạt khi sử dụng đèn. - Thiết kế thêm các chức năng đèn sáng và nhảy theo điệu nhạc. - 78 - TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GS.Phạm Văn Ất “Kỹ thuật lập trình C cơ sở và nâng cao”, NXB Giao thông vận tải Hà Nội - 2006 2. Lập trình và ghép nối máy tính.Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật - 2003. 3. KS. Trần Văn Hùng “Kỹ thuật ứng dụng vi điều khiển”, Tài liệu lưu hành nội bộ, Đại học Nha Trang 4. Nguyễn Tấn Phước “Giáo trình Linh kiện điều khiển,NXB Thành phố Hồ Chí Mính - 1988 5. Các website tham khảo: + www.microchip.com + www.PICvietnam.com.vn + www.dientuvietnam.net + www.alldatasheet.com