Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh mẽ và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất của ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý. Với sự phát triển như vũ bão hiện nay thì kĩ thuật điệnđiện tử, kĩ thuật vi xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kĩ thuật khác và đã đáp ứng được mọi nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh ,khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật – điện tử. Để bước đầu làm quen dần với vi điều khiển, chúng em đã được các thầy cô giáo trong khoa giao cho đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế, chế tạo đồng hồ led công cộng sử dụng pin năng lượng mặt trời”. Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy Phạm Tuấn Tài và thầy Lê Quang Dũng nên đồ án của chúng em đã hoàn thành. Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai xót. Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để giúp đề tài phát triển thêm.
LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh mẽ và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất của ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý. Với sự phát triển như vũ bão hiện nay thì kĩ thuật điện-điện tử, kĩ thuật vi xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kĩ thuật khác và đã đáp ứng được mọi nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh ,khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật – điện tử. Để bước đầu làm quen dần với vi điều khiển, chúng em đã được các thầy cô giáo trong khoa giao cho đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế, chế tạo đồng hồ led công cộng sử dụng pin năng lượng mặt trời”. Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy Phạm Tuấn Tài và thầy Lê Quang Dũng nên đồ án của chúng em đã hoàn thành. Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai xót. Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để giúp đề tài phát triển thêm. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Tuấn Trần Văn Toàn 1 MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Một số hình ảnh thực tế…… 10 Hình 2: Một mặt bảng led hiển thị đồng hồ 12 Hình 3: Mô hình cơ khí được vẽ mô phỏng bằng inventer 13 Hình 4: Sơ đồ tổng quát hệ thống đồng hồ thời gian thực 14 Hình 5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 14 Hình 6: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực 15 Hình 7: Sơ đồ nguyên lý khối phím nhấn 16 Hình 8: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 17 Hình 9: Sơ đồ nguyên lý khối đệm 18 2 Hình 10: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 19 Hình 11: Sơ đồ mạch nguyên lý 20 Hình 12: Mạch bo hoàn chỉnh 21 Hình 13: Sơ đồ khối của AT89C51 22 Hình 14: Sơ đồ chân của AT89C51………… 23 Hình 15: Cấu trúc Port 0……………………………………………………………………… 23 Hình 16: Cấu trúc Port 1…………………………………………………………………………24 Hình 17: Cấu trúc Port 2……………………………………………………………………… 25 Hình 18: Cấu trúc Port 3………………………… ……………………………………… … 25 Hình 19: Sơ đồ mạch reset của AT89C51…………………………………………………… 27 Hình 20: Sơ đồ kết nối thạch anh………………………………….…………………… ….…27 Hình 21: Bản đồ bộ nhớ Data bên trong chip 89C5….………………………………………28 Hình22: Tổ chức I2C ……………………………………………………………….……………34 Hình 23: Bus I2C 34 Hình 24: Thiết bị chủ tớ I2C 35 Hình 25: Chíp thời gian thực DS1307 37 Hình 26: Cấu tạo bên trong DS1307 38 Hình 27: Tổ chức theo từng bit của các thanh ghi 39 Hình 28: Địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ…………………………………………… …40 Hình 29: IC ổn áp 7805 41 Hình 30: Tụ điện phân cực, tụ hóa 49 Hình 31: Tụ không phân cực 49 Hình 32: Hình ảnh led…………………………………………………………………….…….50 Hình 33: Sơ đồ chân IC ULN2803…………………………………………………….………51 Hình 34: Mô hình thực tế 55 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các tính năng đặc biệt của 89C51………………………………………………… 26 Bảng 2: Thanh ghi trạng thái chương trình………………………………………………… 29 Bảng 3: Ưu tiên ngắt…………………………………………………………………………….31 Bảng 4: Cho phép và cấm ngắt(IE)……………………………………………………………32 Bảng 5: Các cờ ngắt………………………………………………………………………….…32 Bảng 6: các vecto ngắt……………………………………………………………………….…33 Bảng 7: Điện trở suất của vật liệu…………………………………………………………….43 Bảng 8: Bảng thông số hoạt động của IC…………………………………………………….52 DANH MỤC CÔNG THỨC (1)Công thức định luật Ôm 41 (2) Công thức tính công suất thất thoát 44 (3) Công thức tính điện trở dây dẫn……………………………… 45 (4) công thức tính trở kháng vi phân 45 (5)công thức sự phụ thuộc nhiệt độ………………… 46 (6)Công thức tính điện trở chất bán dẫn 47 (7)công thức tính cảm kháng cuộn dây 47 4 (8) công thức tính điện dung… 48 CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan đề tài Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng. Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều , nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện nay,chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên. Kế là năng lượng nước thủy điện,năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, …) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Xã hội loài người không phát triển nếu không có năng lượng. 5 Ngày nay, năng lượng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học ,kinh tế, các chính trị gia,… và mỗi người chúng ta. Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng. Pin năng lượng mặt trời là những tấm pin sử dụng tính chất sóng hạt của ánh sáng mặt trời gây hiện tượng quang điện để tạo ra dòng điện. Pin mặt trời được thiết kế và cấu tạo bởi các kim loại có tính chất quang điện. Các tấm pin mặt trời là sự phát minh quan trọng của thế kỉ 20 mang đến cho con người nguồn năng lượng lớn và có thể nói là vô hạn. Pin năng lượng mặt trời có nhiều kích thước khác nhau cho phép sử dụng trong nhiều trường hợp cũng như với công suất khác nhau. Với các tấm pin năng lượng mặt trời con người có thể sử dụng và dự trữ năng lượng từ mặt trời, một loại năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường. Pin năng lượng mặt trời có nhiều loại khác nhau nhưng có chung một nguyên lý hoạt động đó là dựa vào hiện tượng quang điện trên bề mặt kim loại. theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì trong tương lai pin năng lượng mặt trời có thể đáp ứng được 83% năng lượng sử dụng của chúng ta. Chính vì thế nghiên cứu về năng lượng mặt trời là một đề tài rất hay. Trong cuộc sống hang ngày , chúng ta sử dụng khối lượng năng lượng khổng lồ. Cuộc sống của chúng ta xoay quanh sự tiêu thụ các nguồn tài nguyên thiên nhiên và tiêu thụ năng lượng . Phần lớn trong tỷ lệ tiêu thụ năng lượng dược dùng cho sưởi ấm-58% một phần trong số này có thể cung cấp từ năng lượng mặt trời . Kế tiếp là nấu nước, chiếm 24% tổng năng lượng tiêu thụ, hoàn toàn có thể nấu nước bằng năng lượng mặt trời .Điều dó có nghĩa là có thể đáp ứng 83% nhu cầu năng lượng bằng công nghệ năng lượng mặt trời . Phần năng lượng, 13% được dùng để tạo ra điện năng để cung cấp cho chiếu sáng và các thiết bị gia dụng. Năng lượng được dùng cho nấu ăn,5% cũng có thể tạo ra từ năng lượng. Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng sạch, xanh, miễn phí, và có giá trị sử dụng tốt nhất. mặt trời đã xuất hiện cách đây 5 tỷ năm và tiếp tục thêm 5 tỷ năm nữa, quá đủ cho loài người. Chúng ta đang tìm các công nghệ sử dụng dạng năng lượng này một 6 cách hiệu quả nhất, do đây là năng lượng sạch, rất than thiện vơi môi trường. Đây thực sự là nguồn tài nguyên khổng lồ. Cơ quan năng lượng quốc tế dự báo khai thác năng lượng của 33 trong số 48 nhà sản xuất dẩu mõ hàng đầu thế giới đang giảm. Điều đó đang thành hiện thực. Không chỉ có đỉnh sản lượng dầu mõ, hiện nay còn có đỉnh than đá, đỉnh khí tự nhiên, và đỉnh uranium. Tất cả các nguồn tài nguyên này đều có giới hạn, không thể khai thác mãi mãi. Điều đó có nghĩa là những người tin tưởng vào năng lượng hạt nhân có thể bị sốc, năng lượng hạt nhân từng được coi là nguồn thay thế hửu hiệu cho nhiên liệu tàn dư sinh học, nhưng mọi người phải đối mặt với cùng một vấn đề. Nếu tất cả đều chuyển sang năng lượng hạt nhân, tốc độ tiêu thụ uranium sẽ tăng nhanh, chưa kể các nguy cơ về an toàn hạt nhân do đó chúng em muốn ứng dụng vào những vật dụng thực tế và cần thiết cho con người, qua quá trình tìm hiểu em nhận thấy đồng hồ là một vật dụng không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Giúp chúng ta biết được thời gian để chúng ta có thể sắp xếp công việc ,vui chơi,nghỉ ngơi 1 cách hiệu quả nhất. Với vốn kiến thức đã được học kết hợp với thực tiễn chúng em nhận thấy đề tài:“ Thiết kế,chế tạo đồng hồ led công cộng sử dụng pin năng lượng mặt trời”. Rất phù hợp với khả năng của chúng em và có tính áp dụng vào thực tiễn cao nên chúng em đã chọn đề tài trên để hoàn thiện đồ án tốt nghiệp của mình. 1.2. Mục tiêu đề tài Thiết kế chế tạo đồng hồ led sử dụng pin năng lượng mặt trời có khả năng chịu đựng các yếu tố về môi trường. Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của đề tài có khả năng ứng dụng vào thực tiễn. Giúp sinh viên hiểu biết hơn về công dụng và cách sử dụng của một số linh kiện đặc biệt là hiểu rõ về vi điều khiển. Giúp sinh viên có khả năng nghiên cứu và làm việc độc lập cũng như theo nhóm. Tìm hiểu và biết được cấu tạo,nguyên lý hoạt động của đồng hồ led hiển thị số sử dụng pin năng lượng mặt trời. Biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng của các linh kiện điện tử. Chế tạo và chạy thành công đồng hồ led hiển thị số. 7 Thiết kế được đồng hồ led sử dụng pin năng lượng mặt trời hoạt động ổn định giữa kết cấu cơ khí và cơ cấu điều khiển. Tính toán và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của đề tài có khả năng ứng dụng vào thực tiễn Đưa ra được yêu cầu điều khiển cũng như các tính năng của đồng hồ led đồng thời nắm rõ được các yêu cầu đó. Đưa ra được sản phẩm như tính toán đồng thời sản phẩm phải hoạt động ổn định. Một số hình ảnh thực tế về đồng hồ led: 8 Hình 1: Một số hình ảnh thực tế CHƯƠNG II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO 2.1. Phương án thiết kế Chúng ta có thể sử dụng nhiều loại linh kiện khác nhau để chế tạo nên một chiếc đồng hồ số như: -Dùng IC số -Dùng vi điều khiển ( AT89C51 ) Dùng IC số thì kết quả không thể chính xác được vì sai số do nhiều IC tạo nên. Vì thế em đã lựa chọn phương án dùng AT89C51. với lựa chọn này ta có 2 phương án nhỏ ở bên trong : 9 -Phương án 1: dùng ngắt và timer có sẵn trong AT89C51 -Phương án 2: dùng bộ định thời gian thực DS1307 Sau khi cân nhắc em lựa chọn phương án 2 là vì nếu dùng ngắt và timer trong AT89C51 thì kết quả có độ chính xác thấp.Khi mất điện thì ta phải cài lại thời gian cho nó,điều này không khả thi. Ngược lại,khi dùng DS1307 thì dù mất điện chúng ta cũng không phải cài lại thời gian cho đồng hồ và độ chính xác là khá cao. 2.2 Thiết kế phần cơ khí Tính toán kích thước cho mô hình cơ khí Trong sản phẩm này chúng em lựa chọn mô hình cơ khí có cơ cấu hình hộp chữ nhật với hai mặt chính hiển thị đồng hồ led. Dựa vào cách bố trí, sắp xếp led trong bảng hiển thị của hai mặt với các khoảng cách như trên hình vẽ: Hình 2: Một mặt bảng led hiển thị đồng hồ 10 [...]... thuộc về thiết bị chủ (master) Thiết bị chủ nắm vai trò tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống, khi giữa hai thiết bị chủ/tớ giao 34 tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt quá trình giao tiếp Thiết bị chủ giữ vai trò chủ động, còn thiết bị tớ giữ vai trò bị độ trong viêc giao tiếp Hình 24: Thiết bị chủ tớ I2C Nhìn hình trên ta thấy xung đồng hồ chỉ... điều khiển thuộc về thiết bị chủ (master) Thiết bị ch ủ nắm vai trò tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống, khi giữa hai thiết bị chủ/tớ giao tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ và quản lý địa chỉ của thiết bị tớtrong suốt quá trình giao tiếp Thiết bị chủ giữ vai trò chủ động, còn thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong việc gia o tiếp 35 Nhìn hình trên ta thấy xung đồng hồ chỉ có một hướng... ra bộ dao động, khi sử dụng có thể chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ Tần số thạch anh thường sử dụng cho AT89C51 là 12Mhz Hình 20: Sơ đồ kết nối thạch anh Các ngõ vào bộ dao động X1, X2: 26 Bộ tạo dao động được tích hợp bên trong 89C51 Khi sử dụng 89C51, người ta chỉ cần nối thêm thạch anh và các tụ Tần số thạch anh tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng, giá trị tụ thường... nào, một giao tiếp I2C đều dựa vào quan hệ chủ/tớ Giả thiết một thiết bị A Muốn gửi dữ liệu đến thiết bị B, quá trình được thực hiện như sau: ‐ Thiết bị A (Chủ) xác định đúng địa chỉ của thiết bị B (tớ), cừng với việc xác định địa chỉ, thiết bị A sẽ quyết định việc đọc hay ghi vào thiết bị tớ ‐ Thiết bị A gửi dữ liệu tới thiết bị B ‐ Thiết bị A kết thúc quá trình truyền dữ liệu 36 ... phỏng bằng inventer Kích thước mặt hiển thị led là 700x350(mm) các led đơn được ghép với nhau thành led 7 thanh, khoảng cánh giữa 2 led đơn liền nhau là 15mm, khoảng cách giữa 2 led 7 thanh giờ, phút liền nhau là 35mm, khoảng cách giữa giờ và phút là 60mm, Từ những yêu cầu tính toán trên chúng em quyết đinh đưa ra mô hình là một khối hình hộp chữ nhật hai mặt hiển thị đồng hồ led có kích thước 700x350x150(mm)... logic 1 trước đó Chức năng địa chỉ / dữ liệu đa hợp: khi dùng các thiết kế lớn, đòi hỏi phải sử dụng bộ nhớ ngoài thì Port 0 vừa là bus dữ liệu (8 bit) vừa là bus địa chỉ (8 bit thấp) Ngoài ra khi lập trình cho AT89C51, Port 0 còn dùng để nhận mã khi lập trình và xuất mà khi kiểm tra Port 1: Hình 16 : Cấu trúc Port 1 Không dùng FET mà dùng điện trở kéo lên nên khi thiết kế không cần thiết phải thêm các... ứng dụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (ví dụ đo độ rộng xung) P.1.6 Thanh ghi ngắt (INTERRUPT) Một ngắt là sự xảy ra một điều kiện, một sự kiện mà nó gây ra treo tạm thời thời chương trình chính trong khi điều kiện đó được phục vụ bởi một chương trình khác.Các ngắt đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế và cài đặt các ứng dụng. .. hướng Như hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL 33 Hình 23: Bus I2C Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode)và chế độ nhanh (Fast mode) Mỗi dây SDA hay SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thông qua một điên trở kéo lên (pull‐up resistor) Sự cần thiết của các điện trở kéo này... với một quan hệ chủ/tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối Mỗi thiết bị có thể hoạt đông như là thiết bị nhận dữ liệu hay có thể vừa truyềnvừa nhận Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ(master) hay tớ (slave) Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt nó còn được cấu hình là thiết bị chủ (master) hay tớ (slave) Tại sao lại... gồm: led và bảng hiển thị 18 2.3.2 Mạch nguyên lý Hình 11: Sơ đồ mạch nguyên lý 19 2.3.3 Mạch board hoàn chỉnh Hình 12: Mạch bo hoàn chỉnh 20 2.3.4 Các linh kiện sử dụng 2.3.4.1 Vi điều khiển AT89C51 Hình 13: Sơ đồ khối của AT89C51 AT89C51 là vi điều khiển do Atmel sản xuất, chế tạo theo công nghệ CMOS có các đặc tính như sau: 4 KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có khả năng . được thiết kế và cấu tạo bởi các kim loại có tính chất quang điện. Các tấm pin mặt trời là sự phát minh quan trọng của thế kỉ 20 mang đến cho con người nguồn năng lượng lớn và có thể nói là vô hạn.