Báo cáo khoa học kĩ thuật dành cho học sinh, lĩnh vực kĩ thuật, dự án thiết bị chống trộm thông minh

PHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG THCS ˜«˜ - ĐỀ TÀI THAM GIA CUỘC THI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KĨ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC NĂM 2020 – 2021 Tên dự án dự thi THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM THÔNG MINH Lĩnh vực dự thi: Vật lý thiên văn [1] MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .1 LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN .3 Tính cấp thiết vấn đề Mục đích dự án Ý nghĩa dự án II NỘI DUNG DỰ ÁN Tính mới, sáng tạo Cơ sở khoa học 2.1 Tính hiệu tín hiệu cảnh báo qua thị giác thính giác 2.2 Cảm biến chuyển động thân nhiệt người Cơ sở thực tiễn III Cấu tạo nguyên lý hoạt động Transistor 1.1 Cấu tạo 1.2 Nguyên tắc hoạt động Transistor Điện trở Mắt thu hồng ngoại TSL.250 3.1 Cấu tạo mắt thu hồng ngoại TSL.250 10 3.2 Nguyên lí hoạt động mắt thu hồng ngoại TSL.250 .10 [2] Relay 10 4.1 Cấu tạo 10 4.2 Nguyên lí hoạt động: .10 Công tắc nam châm 11 5.1 Cấu tạo 11 5.2 Nguyên lí hoạt động 11 Nam châm vĩnh cửu 11 Biến trở 11 7.1 Cấu tạo 11 7.2 Nguyên lí hoạt động 11 Thấu kính Fresnel 12 8.1 Cấu tạo 12 8.2 Nguyên lí hoạt động 12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 12 9.1 Hệ thống sơ đồ mạch kết nối mắt thu hồng ngoại với linh kiện điện tử còi hú để báo trộm đột nhập vào nhà, quan,… 12 9.2 Phân tích hệ thống 13 9.3 Nguyên lí hoạt động hệ thống 13 10 Hệ thống mạch kết nối mắt thu hồng ngoại với linh kiện điện tử với bóng đèn điện(đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn led…) quạt điện, dùng để đóng, ngắt bóng đèn điện 14 10.1 Phân tích hệ thống .14 10.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống 15 [3] IV QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 Giai đoạn 1: Hình thành ý tưởng .17 Giai đoạn 2: Nghiên cứu tổng quan, tìm kiếm thiết bị .17 Giai đoạn 3: Lập trình thử nghiệm hồn thiện mơ hình .18 Giai đoạn 4: Thử nghiệm 18 Giai đoạn 5: Viết báo cáo kết nghiên cứu 19 V KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN .19 Kết luận 19 Đánh giá thiết bị 20 2.1 Ưu điểm 20 2.2 Nhươc điểm 20 Hướng phát triển 21 VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 PHỤ LỤC 22 [4] LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Phòng GD&ĐT huyện Cát Tiên tạo điều kiện thuận lợi để em tham gia thi Trong suốt thời gian thực đề tài nghiên cứu, chúng em nhận quan tâm, hỗ trợ rất nhiều từ quý thầy cô, bạn bè thân thương Với tình cảm chân thành trân trọng, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới lãnh đạo trường THCS Phước Cát tạo điều kiện thuận lợi cho em śt q trình học tập nghiên cứu làm luận Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Trương Ngọc Thịnh – Giáo viên trường THCS Phước Cát cùng với tri thức tâm huyết của để truyền đạt vốn kiến thức quý báu để giúp em hồn thành tớt đề tài nghiên cứu LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài nghiên cứu độc lập của chúng em, số liệu kết trung thực, khách quan chưa cơng bớ bất kì cơng trình nghiên cứu khác TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN Lý chọn đề tài Trong thời gian qua, tình hình trộm cắp tài sản diễn biến phức tạp địa bàn xã Phước Cát nói riêng Huyện Cát Tiên nói chung cịn xảy nhiều Gây bức xúc dư luận quần chúng nhân dân Thủ đoạn của bọn chúng thường tìm gia đình có điều kiện kinh tế Lợi dụng ban [5] đêm, đặc biệt vào mùa hè, thời tiết nóng bức, gia đình ngủ thường khơng đóng cữa Các đới tượng đột nhập vào nhà trộm cắp tài sản Trước tình hình trên, để tránh tượng trộm cắp tài sản để phòng ngừa, đấu tranh tội phạm để nâng cao hiệu công tác phịng, chớng tội phạm địa bàn nơng thơn, đặc biệt địa bàn xã Phước Cát 2, nhóm chúng em nghiên cứu đưa giải pháp là: “THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM THƠNG MINH” Câu hỏi hay vấn đề nghiên cứu - Làm để cảnh báo sớm nguy hiểm hiệu nhất? - Có thể ứng dụng linh kiện điện tử chế tạo sản phẩm điện tử thông minh với giá thành rẻ khơng? - Hệ thống chế tạo tiết kiệm điện hay không? - Sản phẩm ứng dụng vào đời sống ngày khơng? Lợi ích đề tài Sản phẩm thiết kế đơn giản, vận hành thời gian dài, tiến hành kiểm tra theo yêu cầu đạt từ hệ thớng, thấy sản phẩm vận hành tớt, hao phí điện năng, ưu điểm của sản phẩm sử dụng với nhiều nguồn điện(220V, pin 9v, adapter, nguồn chuyển đổi - 12V) Ngồi ra, giúp tới ưu hóa nguồn lượng tiêu thụ hàng ngày Tiến trình nghiên cứu - Thu thập thông tin - Phân công cơng việc nhóm - Chuẩn bị sắm linh kiện, dụng cụ chế tạo - Xây dựng hệ thống thực nghiệm - Viết báo cáo Kết [6] Đã xây dựng thành công hệ thống, giải vấn đề đặt ra, kết thực nghiệm tốt, phù hợp với mơi trường Nhóm tác giả BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỰ ÁN “THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM THÔNG MINH ” I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN Tính cấp thiết vấn đề Trong thời gian nay, cùng với nâng cao đời sớng văn hóa- xã hội phát triển của tệ nạn, gia tăng của loại tội phạm, có tội trộm cắp tài sản ngày tăng, diễn nhiều phương thức thủ đoạn đa dạng, phong phú gây khó khăn khơng nhỏ cho trật tự an tồn của tồn xã hội Người thực hành vi trộm cắp tài sản khơng làm mất tính của người mà thực nhiều hành vi trái đạo đức xã hội, xâm phạm đến quyền lợi của nhà nước mà xâm phạm đến quyền lợi của công dân khác Huyện Cát Tiên huyện kinh tế thuộc vùng sâu, vùng xa của tỉnh Lâm Đồng có mạng lưới giao thơng địa bàn phân bố tương đối hợp lý, từ hệ thống đường tỉnh lộ, đường huyện, đường đô thị, tạo liên kết; đồng thời nối với mạng giao thông huyện tỉnh lân cận Hàng loạt tuyến đường, cơng trình huyết mạch quan trọng huyện trọng kiến nghị cấp quan tâm đầu tư, nâng cấp, cải tạo mở Các tuyến đường nối từ trung tâm xã đến huyện, cơng trình cầu đường, tuyến đường nới với xã, thơn vùng sâu, vùng xa khó khăn góp phần kết nới giao thơng địa bàn, kinh tế - xã hội Huyện Cát Tiên cịn vùng nơng thơn phát triển, ảnh hưởng điều kiện sớng, sớng khó khăn, bận rộn mưu sinh làm cho người [7] dân trở nên thờ với việc đề phòng cảnh giác Chính năm gần đây, địa bàn huyện gia tăng vụ trộm cắp tài sản Cũng từ đó, tạo kiều kiện cho nhóm đới tượng lợi dụng, x́t nhóm tội phạm có tính chất chun nghiệp, có phân cơng chặt chẽ đối tượng tham gia từ khâu thực tội phạm đến tiêu thụ sản phẩm Vậy, để ta ngăn chặn vụ trộm cắp tài sản xảy ra, giảm thiểu tới đa tình trạng này? Với suy nghĩ “phịng chống”, nhóm chúng em mong ḿn tìm giải pháp để giải giảm thiểu tình trạng Vì chúng em nảy ý tưởng, nghiên cứu tạo hệ thống nhằm giúp “Báo động sớm” để chớng trộm có cớ xảy Mục đích dự án Thiết bị xác định người vùng kiểm soát, kiểm tra khu vực thực biện pháp cảnh báo hiệu (dùng ánh sáng chớp, cịi hú cơng suất lớn) Thiết bị trang bị chức tự động tắt, tăng tiện ích hiệu Sử dụng nguồn điện giúp thiết bị hoạt động ngày lẫn đêm lắp đặt nhiều vị trí khu vực nhà Kết nghiên cứu trả lời câu hỏi: • Hệ thớng dùng để làm gì? • Cách thức hoạt động của hệ thớng? • Ưu điểm hạn chế của hệ thớng thời điểm tại? • Hướng phát triển cải tiến hệ thống tương lai? Ý nghĩa dự án Hệ thớng giúp ngăn chặn phòng ngừa, giảm thiểu nguy xảy vụ trộm cắp Với khả hoạt động cảm biến hồng ngoại, phát âm báo động bật đèn sáng để phát kẻ trộm từ xa [8] II NỘI DUNG DỰ ÁN Tính mới, sáng tạo Hệ thống báo động sớm thiết bị điện tử thông minh, sử dụng hệ thống điện giúp thiết bị hoạt động 24/24 Vận hành ổn định, mang tính tiết kiệm Ngồi ra, ngun lý hoạt động cảu thiết bị rất dễ hình dung, giúp cho việc cài đặt sử dụng dễ dàng Hệ thớng đặt vị trí nhà dùng cảm biến hồng ngoại, âm tần số cao ánh sáng nên giúp cảnh báo sớm bảo quản tốt đồ dùng nhà Cơ sở khoa học 2.1 Tính hiệu của tín hiệu cảnh báo qua thị giác thính giác Thị giác: giác quan quan trọng nhất, cần đến 1/4 nơron thần kinh não để tiếp nhận xử lý thơng tin hình ảnh Thính giác: giác quan vô cùng quan trọng, số trường hợp cịn giúp người tránh rủi ro, vượt qua thị giác Từ xưa, để cảnh báo người biết vận dụng phương pháp tác động đến thị giác thính giác Những tác động từ ánh sáng làm thu hút ý của người sinh vật sớng Vì lẽ đó, ánh sáng cảnh báo thường màu đỏ, màu trắng, nhấp nháy làm tăng ý, làm mắt người bị kích thích, đẩy ý phía nguồn sáng Để tăng thêm ý, kết hợp ánh sáng với âm vừa kích thích thị giác, vừa kích thích thính giác 2.2 Cảm biến chuyển động thân nhiệt người Thân nhiệt nhiệt độ của thể của sinh vật Khi thân nhiệt tỏa ra, tia hồng ngoại phát tán môi trường xung quanh sinh vật quan [9] sát thiết bị phù hợp Con người có thân nhiệt ~36,75°C Với nguyên lý trên, ta phân biệt khác nhau, xác định xác loại vật heo, gà, dê, người Cơ sở thực tiễn Hệ thống mạng lưới giao thông địa bàn huyện dày đặc, phân bố tương đối hợp lý, từ hệ thống đường tỉnh lộ, đường huyện, đường đô thị, tạo liên kết; đồng thời nối với mạng lưới giao thông huyện tỉnh lân cận Hàng loạt tuyến đường, cơng trình huyết mạch quan trọng huyện trọng quan tâm đầu tư, nâng cấp, cải tạo mở Từ thực tiễn đó, dẫn đến nhiều tiềm ẩn nguy hiểm, tệ nạn xã hội diễn ra, tình trạng trộm cắp thường xuyên xảy III Cấu tạo nguyên lý hoạt động Transistor 1.1 Cấu tạo Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N, ghép theo thứ tự PNP ta Transistor thuận, ghép theo thứ tự NPN ta Transistor ngược; phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều (khơng có nghĩa ta dùng diode ghép thành transistor) Hình E C pp N P C C N E P B N P B Transistor ngược Transistor thuận [10] Sai số độ chênh lệch tương đối giá trị thực tế của điện trở giá trị danh định,đượctính theo % Cơng śt tới đa cho phép có dịng điện cường độ I chạy qua điện trở R, lượng nhiệt tỏa R với công suất: P = U.I = I2.R Nếu dịng điện có cường độ lớn nhiệt lượng tiêu thụ R lớn làm cho điện trở nóng, cần thiết kế điện trở có kích thước lớn để tản nhiệt tớt Cơng suất tối đa cho phép công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở chịu ngưỡng điện trở bị nóng lên bị cháy Công suất tối đa cho phép đặc trưng cho khả chịu nhiệt Pmax = U2max/R = I2max.R Mắt thu hồng ngoại TSL.250 Đối với mắt thu hồng ngoại TSL.250 loại vỏ sắt ,dùng loại mắt chớng nhiễu bên ngồi thu tín hiệu hồng ngoại phát từ người 3.1 Cấu tạo mắt thu hồng ngoại TSL.250 Chân 1: chân tín hiệu out Chân 2: chân GND Chân 3: chân VCC Hình VCC out Gnd 3.2 Nguyên lí hoạt động mắt thu hồng ngoại TSL.250 Nguồn nhiệt người phát tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, kính lọc lấy tia hồng ngoại truyền đến mắt thu hồng ngoại, biến đổi tia hồng ngoại thành thay đổi điện áp đầu ra, lúc xuất dòng điện chạy đến chân B (Base) của transistor, kích thích chân B (Base) mở, lập tức có dịng điện chạy từ chân C (Collector) đến chân E (Emitter) của transistor, đến thiết bị (Đèn ,chuông báo động…) hoạt động Relay [13] 4.1 Cấu tạo Relay loại linh kiện đóng ngắt điện đơn giản Nó gồm hai phần nam châm điện tiếp điểm Cấu tạo relay hết sức đơn giản, gồm phận sau đây: + Nam châm điện Hình + Lõi săt + Lị xo + Các tiếp điểm 4.2 Ngun lí hoạt động: Giả sử mắc relay hình trên, cơng tắc đóng ngắt nguồn cho nam châm điện Khi cơng tắc đóng có dịng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây trở thành nam châm điện có từ trường hút sắt, sắt vị trí thường đóng đèn sáng Ngược lại, lị xo kéo sắt lên vị trí thường hở làm mạch hở, đèn tắt Công tắc nam châm 5.1 Cấu tạo MΩ, GΩ.ột bóng thủy tinh, hai kim loại Hình 5.2 Ngun lí hoạt động Cơng tắc nam châm loại linh kiện điện từ: chúng đóng hay mở mạch điện dựa ngun lí từ trường Khi đưa nam châm vĩnh cửu lại gần từ trường đủ mạnh làm chúng nhiễm từ, hai kim loại hút đóng kín mạch điện Khi nam châm vĩnh cửu xa chúng không bị nhiễm từ hai kim loại không hút mạch hở Nam châm vĩnh cửu Nam châm vĩnh cửu loại nam châm cấu tạo từ vật liệu từ cứng có khả giữ từ tính khơng bị mất từ trường Đây nam châm sử dụng nguồn tạo từ trường MΩ, GΩ.ỗi nam châm vĩnh cửu [14] N S P có hai từ cực, cực Bắc (N), cực Nam (S) Hình 7 Biến trở 7.1 Cấu tạo: Biến trở gồm thành phần chạy cuộn dây làm hợp kim có điện trở suất lớn 7.2 Ngun lí hoạt động Biến trở thiết bị có điện trở th̀n biến đổi theo ý ḿn,để thay đổi dòng điện chạy qua mạch Được sử dụng mạch điện tử để điều chỉnh hoạt động của mạch điện Hình 8 Thấu kính Fresnel 8.1 Cấu tạo Thấu kính Fresnel loại thấu kính làm thủy tinh nhựa śt có bề mặt ghép lại từ phần của mặt cầu 8.2 Nguyên lí hoạt động Thấu kính Fresnel lọc lấy tia hồng ngoại truyền đến mắt thu hồng ngoại, mắt thu hồng ngoại biến đổi tia hồng ngoại thành thay đổi điện áp đầu Hình 9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống Còi hú 9.1 Hệ thống sơ đồ mạch kết nối mắt thu hồng ngoại với linh kiện điện tử còi hú để báo trộm đột nhập vào nhà, quan,… Nguồn( 5-12V) Vcc out Gnd MΩ, GΩ.ắt thu hồng ngoại [15] B C E Transistor Thấu kính Fresnel 9.2 Phân tích hệ thống Về tổ hợp thiết bị điện tử dùng để báo động có trộm đột nhập vào nhà báo khách vào nhà Hệ thống chế tạo để tiết kiệm điện năng, sử dụng nguồn điện chiều - 12VDC từ pin, ắc quy, adapter, modul nguồn chuyển đổi 220V - 12VDC, giá thành chế tạo rất rẻ so với thị trường, để tăng hiệu kinh tế cao, ứng dụng lắp đặt cửa vào lắp đặt tường nhà lắp đặt vị trí ngơi nhà, cho phép phát người khoảng cách lên đến khoảng 3m, góc quét mắt thu hồng ngoại 1800 Hệ thống tự động điều chỉnh yếu tố thỏa mãn yêu cầu bắt buộc Linh kiện điện tử chế tạo hệ thớng sau: Transistor, mắt thu hồng ngoại, cịi hú, thấu kính Fresnel.relay, cơng tắc, nguồn điện chiều 12VDC, sớ dây dẫn điện [16] 9.3 Ngun lí hoạt động hệ thống Khi đóng cơng tắc, cấp nguồn điện chiều vào hai chân ( V cc Gnd ) của mắt thu hồng ngoại, mắt thu hồng ngoại bắt đầu hoạt động Khi có người chuyển động qua mắt thu hồng ngoại Nguồn nhiệt người phát tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, kính lọc lấy tia hồng ngoại truyền đến mắt thu hồng ngoại, biến đổi tia hồng ngoại thành thay đổi điện áp đầu ra, lúc xuất dòng điện chạy từ cực dương (+) của nguồn điện tới chân ( + ) của còi hú, tiếp tục sang chân (-) của còi hú đến chân C (Collector ) của transistor, đồng thời từ cực dương (+) của nguồn điện, xuất dòng điện chạy tới chân Vcc của mắt thu hồng ngoại, từ chân Vcc dòng điện chạy sang chân out của mắt thu hồng ngoại đến chân B (Base) của transistor, chân B(Base) transistor mở, cho phép dòng điện chạy từ chân (- ) còi hú đến chân C (Collector ) của transistor sang chân E (Emitter) cực âm của nguồn, lúc còi hú hoạt động phát âm báo động 10 Hệ thống mạch kết nối mắt thu hồng ngoại với linh kiện điện tử với bóng đèn điện(đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn led…) quạt điện, dùng để đóng, ngắt bóng đèn điện Nguồn( 5-12V) Mắt thu hồng ngoại Thấu kính Fresnel Vcc out Tia hồng Gnd ngoại In Gnd Vcc No1 Com [17] Bóng đèn 220V Relay 10.1 Phân tích hệ thống Về tổ hợp thiết bị điện tử dùng để đóng, ngắt quạt điện; đèn điện thông minh nhà như: phòng khách, phòng làm việc, hành lang, cầu thang, khu vệ sinh…; quan; xí nghiệp, có người chuyển động Hệ thống chế tạo để tiết kiệm điện năng, sử dụng nguồn điện chiều - 12VDC từ pin, ắc quy, adapter, modul nguồn chuyển đổi 220V - 12VDC, giá thành chế tạo rất rẻ so với thị trường, để tăng hiệu kinh tế cao, ứng dụng lắp đặt cửa vào lắp đặt tường nhà, trần nhà lắp đặt vị trí ngơi nhà cho phép phát người khoảng cách lên đến 5m, góc quét mắt thu hồng ngoại 1800 Hệ thống tự động điều chỉnh yếu tố thỏa mãn yêu cầu bắt buộc Linh kiện điện tử, đồ dùng điện để chế tạo hệ thống sau: Relay, mắt thu hồng ngoại, bóng đèn, quạt điện, thấu kính Fresnel, cơng tắc, nguồn điện chiều - 12VDC, số dây dẫn điện 10.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống Khi đóng cơng tắc, cấp nguồn điện chiều vào hai chân ( V cc Gnd ) của mắt thu hồng ngoại, mắt thu hồng ngoại bắt đầu hoạt động, đồng thời cấp nguồn điện chiều vào hai chân ( V cc Gnd ) của relay Khi có người chuyển động qua mắt thu hồng ngoại Nguồn nhiệt người phát tia hồng [18] ngoại, qua kính Fresnel, kính lọc lấy tia hồng ngoại truyền đến mắt thu hồng ngoại, biến đổi tia hồng ngoại thành thay đổi điện áp đầu ra, lúc xuất dòng điện chạy từ cực dương (+) của nguồn đến chân V cc của mắt thu hồng ngoại qua chân Out của mắt thu hồng ngoại xuất dịng điện chạy qua bóng đèn làm bóng đèn phát sáng Dịng điện đến chân In của relay đóng cuộn dây trở thành nam châm điện có từ trường hút sắt relay, sắt tiếp xúc với hai chân No1 Com của relay làm cho mạch điện kín *SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA SẢN PHẨM 220V Nguồn (512V) Transistor BD 135 B C E MΩ, GΩ.ắt thu hồng ngoại [19] Công tắc Thấu kính fresnel Cịi hú + MΩ, GΩ.ax Gnd Relay Bóng đèn No1 In1 Vcc Com VRl IV Q TRÌNH NGHIÊN CỨU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nhóm tác giả xin chia trình thực dự án làm giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Hình thành ý tưởng Từ nhu cầu giải thực trạng thực tế, ý tưởng của đề tài hình thành có thớng nhất của hai thành viên nhóm Câu hỏi đặt trình hình thành ý tưởng là: [20]