Điều khiển xả nước tự động bằng 8051

Phần này giới thiệu về sự phát triển của công nghệ tự động hóa và vai trò của vi điều khiển trong cuộc sống hiện đại. Vi điều khiển 8051 (hoặc AT89C51), một bộ vi xử lý 8-bit mạnh mẽ và linh hoạt, được nhấn mạnh như là nền tảng của hệ thống. Đồ án tập trung vào việc ứng dụng vi điều khiển 8051 vào hệ thống xả nước tự động, một giải pháp thiết thực để tiết kiệm nước và bảo vệ nguồn tài nguyên quý giá này. Hệ thống được thiết kế để hoạt động tự động, tiết kiệm nước, và có thể ứng dụng trong nhiều môi trường khác nhau như khu công nghiệp, khách sạn, trường học, sân bay,… Việc sử dụng vi điều khiển 8051 giúp giảm chi phí và đơn giản hóa cấu trúc hệ thống, phù hợp với các ứng dụng không đòi hỏi tính phức tạp cao. Intel được nhắc đến là hãng sản xuất chip 8051 đầu tiên, mở ra một bước tiến lớn trong công nghệ vi điều khiển. Các phiên bản 8052, 8053, 8055 và các phiên bản tương tự từ Atmel (89C51, 89C52, 89C53, 89C55) cũng được đề cập đến, cho thấy sự phổ biến rộng rãi của họ vi điều khiển 8051. Đặc điểm kỹ thuật của 8051 như RAM 128 byte, ROM 4K byte, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng I/O cũng được mô tả ngắn gọn. Cuối cùng, phần này khẳng định tầm quan trọng của việc ứng dụng hệ thống xả nước tự động trong bối cảnh hiện nay để khắc phục tình trạng lãng phí nguồn nước.

Phần này đi sâu vào chi tiết về vi điều khiển 8051, bắt đầu từ lịch sử ra đời của nó vào năm 1980 bởi Intel. 8051 được giới thiệu như một “hệ thống trên một chip” (system-on-a-chip) tích hợp bộ nhớ, mạch giao tiếp ngoại vi và vi xử lý. Khả năng của 8051 được so sánh với vi xử lý, nhưng với cấu trúc phần cứng đơn giản hơn nhiều, dễ sử dụng hơn. Các hãng sản xuất khác nhau như Atmel (với các phiên bản 89C51, 89C52, 89C53, 89C55), Philips, và Dallas Semiconductor (DS5000) cũng được đề cập, cho thấy sự đa dạng về các phiên bản 8051 với tốc độ và dung lượng ROM khác nhau. Tuy nhiên, tất cả đều tương thích với 8051 ban đầu về tập lệnh. Các loại bộ nhớ như ROM (để lưu trữ chương trình), RAM (để xử lý dữ liệu), và NV-RAM được phân tích, nhấn mạnh vào chức năng và cách thức hoạt động của chúng. Cấu trúc bên trong của 8051, bao gồm các thanh ghi như thanh ghi B, Stack Pointer (SP), Data Pointer (DPTR), các cổng P0-P3, và bộ định thời, cũng được mô tả, giải thích chức năng của từng thành phần. Phần này cũng giải thích về các chế độ hoạt động của bộ định thời (Timer) của 8051. Cuối cùng, phần này kết thúc bằng việc nhắc lại vai trò quan trọng của 8051 trong các ứng dụng tự động điều khiển trong công nghiệp.

Phần này mô tả chi tiết về thiết kế phần cứng của hệ thống xả nước tự động, bao gồm sơ đồ khối và chức năng của từng khối. Khối nguồn chuyển đổi điện áp 220VAC sang 12VDC và 5VDC. Khối cảm biến hồng ngoại (TCRT5000) phát hiện sự có mặt của người dùng. Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển 8051, điều khiển van điện từ thông qua IC ULN2803. Khối hiển thị sử dụng LED 7 thanh để hiển thị thời gian đếm ngược. IC LM339 được dùng làm bộ so sánh và 74HC14 để điều chỉnh xung. Phần này cũng trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống, bao gồm cách thức cảm biến hồng ngoại hoạt động và cách vi điều khiển xử lý tín hiệu để điều khiển van điện từ. Chức năng đếm ngược thời gian 5 giây sau khi phát hiện chuyển động cũng được giải thích. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ Assembly. Quá trình mô phỏng trên phần mềm Proteus 7.5 được mô tả, cho thấy sự hoạt động của hệ thống trước khi thực hiện trên mô hình thực tế. Cuối cùng, phần này chỉ ra những nhược điểm của hệ thống, như khoảng cách phát hiện của cảm biến ngắn và sự ảnh hưởng của ánh sáng mạnh đến hoạt động của hệ thống, và đề xuất giải pháp khắc phục.

Khối nguồn có chức năng chuyển đổi điện áp xoay chiều 220VAC từ nguồn điện chính thành điện áp một chiều 12VDC và 5VDC cần thiết cho hoạt động của mạch. Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng biến áp 3A để giảm điện áp xoay chiều xuống các mức nhỏ hơn (24V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 0V). Điện áp 15V và 0V được lựa chọn và đưa vào bộ chỉnh lưu cầu nắn để tạo ra điện áp một chiều. IC LM7812 và LM7805 được sử dụng để ổn định điện áp đầu ra thành 12VDC và 5VDC một cách chính xác. Một tụ điện C=2200uf/50v được sử dụng để làm cho điện áp một chiều ổn định hơn. Khối nguồn là một thành phần quan trọng đảm bảo cung cấp điện áp ổn định cho toàn bộ hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả. Thiết kế này cho thấy sự chú trọng đến chất lượng điện năng cung cấp cho các linh kiện nhạy cảm trong hệ thống.

Khối cảm biến hồng ngoại sử dụng cảm biến TCRT5000 để phát hiện sự hiện diện của người dùng. Khi có người dùng đứng trước cảm biến, tín hiệu ánh sáng hồng ngoại bị thay đổi, tạo ra tín hiệu điện được đưa vào bộ so sánh LM339. Bộ so sánh LM339 so sánh tín hiệu đầu vào với một điện áp chuẩn (có thể điều chỉnh bằng biến trở). Tín hiệu đầu ra từ LM339 sau đó được đưa vào IC 74HC14 để điều chỉnh thành tín hiệu xung vuông ổn định. Tín hiệu xung vuông này sẽ được đưa vào vi điều khiển 8051 để xử lý. Vi điều khiển 8051 có 40 chân, chia thành 4 cổng, 24 chân có chức năng kép, cho phép linh hoạt trong việc thiết kế và kết nối với các thành phần khác. Chân 29 và 31 cho phép truy cập bộ nhớ ngoài nếu cần mở rộng. Vi điều khiển 8051 là bộ não của hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu từ cảm biến, điều khiển các thiết bị đầu ra và thực hiện các chức năng của hệ thống. Việc lựa chọn 8051 thể hiện sự tối ưu về chi phí và tính đơn giản trong ứng dụng.

Khối điều khiển van điện từ sử dụng IC ULN2803 làm driver để điều khiển rơ le. ULN2803 là một mạch tích hợp chứa 8 bộ đệm dòng và đảo tín hiệu, có thể điều khiển dòng lên tới 450mA. Các diode được tích hợp bên trong giúp tránh dòng ngược khi điều khiển các thiết bị có cuộn dây, đảm bảo độ bền và an toàn cho mạch. Rơ le sẽ đóng hoặc ngắt mạch điện cấp cho van điện từ, điều khiển dòng nước chảy hoặc dừng lại. Khối hiển thị sử dụng LED 7 thanh để hiển thị thời gian đếm ngược 5 giây, cho phép người dùng biết thời gian nước sẽ chảy. LED 7 thanh được ghép nối với vi điều khiển 8051, cho phép điều khiển hiển thị các số và ký tự. Việc sử dụng loại anode chung cho phép điều khiển dễ dàng và hiệu quả hơn. Cần chú ý đến dòng điện để tránh làm hỏng IC điều khiển. Toàn bộ hệ thống được thiết kế để hoạt động một cách chính xác và tin cậy.

Hệ thống sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000 để phát hiện sự hiện diện của người dùng. Khi có người đứng trước cảm biến, tín hiệu ánh sáng hồng ngoại bị thay đổi, dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở của cảm biến. Giá trị điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp bởi mạch điện, sau đó tín hiệu này được đưa vào bộ so sánh LM339. LM339 so sánh tín hiệu này với một điện áp chuẩn (điều chỉnh được bằng biến trở) để xác định có tín hiệu hay không. Nếu tín hiệu vượt quá ngưỡng so sánh, LM339 sẽ tạo ra một tín hiệu logic xác nhận có người dùng. Đây là bước quan trọng đầu tiên trong quá trình điều khiển tự động hệ thống xả nước. Hiệu quả của bước này phụ thuộc vào độ nhạy của cảm biến và độ chính xác của mạch so sánh. Ánh sáng xung quanh có thể gây nhiễu cho cảm biến, làm giảm độ chính xác của hệ thống, như đã được đề cập đến trong phần nhận xét.

Tín hiệu đã được xử lý bởi LM339 được đưa đến IC 74HC14 để điều chỉnh thành tín hiệu xung vuông chuẩn. Xung vuông này được đưa vào vi điều khiển 8051. Vi điều khiển 8051 nhận tín hiệu từ cổng P1.0, xử lý và lưu trữ trong thanh ghi A. Sau khi nhận đủ dữ liệu, 8051 so sánh với dữ liệu đã được lập trình sẵn. Nếu dữ liệu khớp, tín hiệu được đưa ra cổng P0 và thông qua IC ULN2803 để điều khiển rơ le. ULN2803 là một mạch tích hợp đóng vai trò như một driver, khuếch đại tín hiệu điều khiển đến rơ le. Rơ le đóng mạch, cấp nguồn cho van điện từ, làm cho nước chảy. Nếu không có tín hiệu từ cổng P0, rơ le mở, ngắt nguồn van điện từ, nước ngừng chảy. Đồng thời, LED 7 thanh hiển thị thời gian đếm ngược 5 giây. Nếu tín hiệu vẫn còn, quá trình đếm ngược tiếp tục; nếu tín hiệu mất, nước sẽ ngừng chảy sau 5 giây. Việc sử dụng ULN2803 giúp đảm bảo dòng điện đủ mạnh để điều khiển rơ le, tránh hiện tượng rơ le hoạt động không ổn định.

Trong quá trình nước chảy, LED 7 thanh hiển thị thời gian đếm ngược 5 giây. Sau 5 giây, nếu không có tín hiệu mới từ cảm biến, hệ thống sẽ tự động tắt van điện từ, ngừng cung cấp nước. Đây là một tính năng tiết kiệm nước quan trọng của hệ thống. Hệ thống được thiết kế đơn giản, hiệu quả, và dễ sử dụng. Việc sử dụng vi điều khiển 8051 giúp dễ dàng lập trình và điều khiển các thành phần khác nhau trong hệ thống. Tuy nhiên, hệ thống có một số hạn chế, bao gồm khoảng cách hoạt động của cảm biến hồng ngoại ngắn và nhạy cảm với ánh sáng mạnh, gây nhiễu cho cảm biến. Những hạn chế này được đề cập trong phần nhận xét và đề xuất các giải pháp cải tiến trong tương lai.

Sau khi hoàn thành việc thiết kế và xây dựng hệ thống, quá trình thử nghiệm được tiến hành trên cả hai phương diện: phần cứng và phần mềm. Trên phần cứng, việc nhấn các nút trên mạch kiểm tra cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, các linh kiện hoạt động tốt, và không có hiện tượng chập mạch. Hệ thống có thể điều khiển đóng/mở rơ le và LED một cách chính xác. Sau đó, chương trình điều khiển được mô phỏng trên phần mềm Proteus 7.5. Quá trình mô phỏng cho phép kiểm tra và xác nhận chức năng của chương trình trước khi triển khai trên hệ thống thực tế, giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình cài đặt và vận hành. Kết quả mô phỏng thành công đã tạo tiền đề vững chắc cho việc triển khai trên hệ thống thực tế. Trên mô hình thực tế, hệ thống đã điều khiển được van điện từ, nước chảy từ bình qua van và ra ngoài qua vòi xả. LED 7 thanh hiển thị chế độ đếm ngược 5 giây chính xác. Điều này cho thấy hệ thống hoạt động đúng như thiết kế.

Hệ thống xả nước tự động được đánh giá là có mô hình phần cứng được thiết kế hợp lý, các thành phần có mối liên kết logic chặt chẽ, đảm bảo độ chính xác cao. Tín hiệu đầu ra của mỗi khối chức năng trở thành tín hiệu đầu vào của khối tiếp theo, tạo nên một chu trình điều khiển liên tục. Ngôn ngữ lập trình Assembly được sử dụng, mang lại ưu điểm về mã gọn, ít chiếm dung lượng bộ nhớ và tốc độ hoạt động nhanh. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn một số hạn chế cần được cải tiến trong tương lai. Khoảng cách phát hiện của cảm biến hồng ngoại TCRT5000 còn hạn chế, cần được tối ưu để tăng phạm vi hoạt động. Thêm vào đó, hệ thống dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ ánh sáng mạnh bên ngoài, gây ra sai lệch trong quá trình phát hiện tín hiệu. Để khắc phục những hạn chế này, đề án đề xuất sử dụng kính phát xạ cho mắt phát và kính lọc nhiễu cho mắt thu của cảm biến.

Hệ thống xả nước tự động sử dụng vi điều khiển 8051 và cảm biến hồng ngoại đã được thiết kế, xây dựng và thử nghiệm thành công. Hệ thống đạt được mục tiêu tiết kiệm nước và có tính ứng dụng cao trong các khu công nghiệp, trường học, sân bay và các khu vực công cộng. Tuy nhiên, vẫn còn một số điểm cần cải thiện để tăng hiệu quả và độ ổn định của hệ thống. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong khoa Điện tự động công nghiệp, đặc biệt là GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Mặc dù đã cố gắng hết sức, đồ án vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được sự góp ý và đánh giá từ các thầy cô.