- Module đo lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập thông tin hoạt động của phần công tác, hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa phân công tác và bộ điều khiển, từ hệ thố
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Tổng quan về hệ thống đo
Sơ đồ nguyên lý cơ điện tử thể hiện mô đun cấu thành lên sản phẩm, thấy được sự tích hợp và ghép nối các thành phần.
Hình 1.1.1.a.1.1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống đo cơ điện tử.
Trong đó ý nghĩa từng khối thể hiện như sau:
- Phần công tác: là phần trực tiếp đưa ra các thap tác công nghệ
- Đo lường: là modul kết nối đối tượng với bộ điều khiển, nó tạo ra tín hiệu phản hồi làm đầu vào cho bộ điều khiển.
- Mô hình hóa: là modul tạo tín hiệu cho bộ điều khiển
- Bộ điều khiển: nhận tín hiệu từ modul đo lường, tính toàn hiệu chỉnh và đưa lệnh điều khiển nguồn động lực để có thao tác chính xác.
- Cơ cấu chấp hành (CCCH): là modul tạo nguồn động lực cho phần công tác, nhận lệnh trực tiếp từ bộ điều khiển
Sơ đồ thiết bị đo:
Hình 1.1.1.a.1.1.2: Sơ đồ cấu trúc chung của thiết bị đo.
- Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC): thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng thành tín hiệu điện.
Mạch đo là bộ phận trung gian tiếp nhận tín hiệu sau các chuyển đổi sơ cấp, tiến hành xử lý và tính toán theo sơ đồ mạch được thiết kế Do đó, mạch đo có nhiệm vụ quan trọng trong việc thu thập, gia công và thao tác với dữ liệu đo lường.
- Cơ cấu chỉ thị (CCCT): là khâu cuối cùng của thiết bị đo, thực hiện chức năng thể hiện kết quả đo lường dưới dạng con số so với đơn vị sau khi qua mạch đo.
*Vị trí và vai trò của hệ thống đo cơ điên tử
- Module đo lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập thông tin hoạt động của phần công tác, hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa phân công tác và bộ điều khiển, từ hệ thống đo ta có tín hiệu phản hồi để làm đầu vào khởi tạo bài toán hiệu chỉnh ở bộ điều khiển.
- Tín hiệu đo được từ hệ thống đo ở dạng analog nên cần phải mã hóa và xử lí trước khi đưa vào bộ điều khiển Quá trình này được thực hiện nhờ bộ DSP1 (mô đun xử lí tín hiệu), các quá trinh này có thể gồm có khuếch đại, chuyển đổi AD, lọc, điều chế, tách sóng…
Tổng quan về nhà thông minh
Nhà thông minh là kiểu nhà có lắp đặt các thiết bị điện tử được điều khiển hoặc tự động hóa hay bán tự động thông qua các ứng dụng quản lý trên điện thoại hoặc bằng giọng nói với bộ điều khiển trung tâm Các thiết bị nằm trong hệ sinh thái nhà thông minh thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý và điều khiển Nhờ ứng dụng các công nghệ như hồng ngoại, điện thoại thông minh, công nghệ đám mây, IoT, … nhà thông minh có khả năng tự động hóa giúp bạn hoàn thành các công việc thường ngày với các thiết bị mà không cần tốn quá nhiều công sức.
Hình 1.2.1.a.1.1.1: Mô hình nhà thông minh
Hiện nay, nhà thông minh được gọi tên dành cho ngôi nhà đang sở hữu trọn bộ sản phẩm thông minh cho gia đình được tích hợp trong một hệ thống điều khiển trung tâm thông qua internet với các phương thức kết nối Wifi, Bluetooth, giọng nói:
Hệ thống ánh sáng thông minh được bật tắt tự động qua các cảm biến trong ngôi nhà hoặc trên smartphone
Hệ thống đảm bảo an ninh sử sụng các camera, các cảm biến cửa, cảm biến chuyển động … Kết hợp cùng với hệ thống cảnh báo tại nhà và smartphone để đảm bảo an toàn cho ngôi nhà.
Hệ thống rèm cử tự động giúp bạn ngồi tại chỗ mà vẫn điều khiển được rèm hay cài đặt nó theo ý muốn của bạn.
Hệ thống các thiết bị sinh hoạt ,giải trí
Hệ thống cảnh báo cháy và khí gas
Các thiết bị trong ngôi nhà thông minh được kết nối với nhau và được truy cập thông qua một thiết bị trung gian Đó có thể là điện thoại, laptop, hay máy tính bảng, Bạn sẽ dùng 1 ứng dụng Smart home nào đó để có thể điều khiển mọi hoạt động trong nhà, hay hẹn giờ cụ thể để chúng tự hoạt động.
Hình 1.2.1.a.1.1.2: Điều khiển nhà thông minh qua Wifi.
Phân tích đề yêu tài
Nhiệm vụ xây dựng hệ thống nhà thông minh gồm:
Thực hiện chức năng cảnh báo cháy : Nhà xe có dấu hiệu xuất hiện ngọn lửa, ngôi nhà sẽ tự động bật cảnh báo cháy thông qua còi cảnh báo.
Thực hiện chức năng thông gió tự động: Khu vực bếp có khí gas và khói quá mức tiêu chuẩn sẽ tự động bật quạt điều chỉnh lại khí gas và khói trong phòng.
Chức năng cảnh báo cháy:
Sử dụng cảm biến lửa để phát hiện lửa, đưa tín hiệu đến bộ xử lý để đưa ra quyết định điều khiển cho cơ cấu chấp hành là còi báo.
Hình 1.3.2.a.1.1.1: Hệ thống báo cháy
Chức năng thông gió tự động:
Hệ thống sử dụng cảm biến MQ2 để phát hiện sự tăng nồng độ khí gas và khói trong không khí, đưa tín hiệu điện đến bộ xử lý ra quyết định điều khiển cho cơ cấu chấp hành là quạt giảm bớt nông độ khí gas trong phòng.
Hình 1.3.2.a.1.1.2: Hệ thống báo khí gas và khói
Các thông số kỹ thuật cần đạt được
1.4.1 Các yêu cầu kỹ thuật cần đạt:
• Tốc độ phản ứng nhanh.
• Có thể xử lý cùng lúc nhiều nhiệm vụ.
1.4.2 Các thông số kỹ thuật cần đạt được:
1 Thời gian phản hồi của cảnh báo cháy 1s
2 Thời gian phản hồi của cảnh báo khí gas và khói 1s
Trên đây là tổng quan về hệ thống nhà thông minh Từ những tổng quan đã tìm hiểu giúp định hướng được nhiệm vụ, công việc và các yêu cầu kỹ thuật cần để
“thiết kế hệ chức năng báo cháy và thông gió tự động” trong ngôi nhà.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH
Cơ sở lý thuyết của phương pháp đo
2.1.1 Phát hiện lửa trong ga-ra ô tô:
Bức xạ hồng ngoại tồn tại hầu hết các ngọn lửa, nhiệt độ của ngọn lửa và sự hội tụ khí nóng của lửa là các sản phẩm cháy, phát ra 1 loại quang phổ đặc trưng có thể dễ dàng phát hiện bởi công nghệ cảm biến hồng ngoại (Trong khoảng từ 760nm- 1mm) (ánh sáng trắng từ 360nm-760nm) Giải pháp: Sử dụng “Nguyên lý hiện tượng quang điện trong”.
Hiện tượng quang điện trong xảy ra khi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn bước sóng giới hạn λ0 chiếu vào bề mặt vật chất, làm giải phóng các electron liên kết Quá trình này khiến các electron liên kết chuyển thành electron tự do có khả năng dẫn điện, đồng thời tạo ra các lỗ trống - những phần tử có điện tích dương tham gia vào quá trình dẫn điện.
Trong đó: λ : bước sóng của ánh sáng λ 0 :giớihạn quang điện.
Như vậy: sử dụng cảm biến lửa
Cảm biến lửa: là cảm biến có khả năng phát hiện lửa hoặc nguồn sáng có bước sóng tương tự.Cảm biến lửa hoạt động dựa theo nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện trong.
Cảm biến lửa là sự tích hợp IC LM393 và phototransistor.
Phototransistor là một bóng bán dẫn nhạy sáng giúp khuếch đại dòng điện được tạo ra từ năng lượng ánh sáng (hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện trong).Nó chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện và cũng khuếch đại nó.
IC LM395: Chuyển đổi tín hiệu analog thành số nhờ việc so sánh giữa 2 điện áp trên biến trở cài đặt và điện áp ra của phototransistor để xuất ra tín hiệu số.
Hình 2.1.1.a.1.1.2: Sơ đồ nguyên lý cảm biến lửa.
Phototransistor là chất bán dẫn không dẫn điện khi không chiếu sáng và dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào Ánh sáng đi vào vùng cực gốc (B) tạo ra chuyển động của các electron-lỗ trống tự do, gây ra dòng điện trong vùng B Sự xuất hiện của dòng Ib làm cho phototransistor thông và dòng Ic xuất hiện.
A: là năng lượng của 1 photon (J) h: là hằng số h= 6.625.10 -34 (J) λ 0 :bước sóng của ánh sáng. c: tốc độ của ánh sáng trong chân không.
Ip=η e P A (2) Trong đó: η:hiệu suất của lượng tử phụ thuộc vào λ
Ip : là dòng điện sinh ra ở cực B (Ampe)
P:Công suất chiếu sáng (trong ngọn lửa từ cây nến là vài chục Wat).
Vout : là điện áp đầu ra tại chân A0.
R3 : là điện trở β : là hệ số của phototransistor.
Bước sóng tăng thì A giảm, I tăng, Vout giảm.
Bước sóng giảm thì A tăng, I giảm Vout tăng.
So sánh Vout với VRs, nếu vượt qua ngưỡng VRs thì cảm biến xuất ra tín hiệu
1, ngược lại là 0 Khi đo hồng ngoại từ (760nm-1mm) thì sẽ cho Vout giảm (so với ánh sáng trắng), suy ra VoutVRs sẽ xuất ra cảm biến là 1 khi không có chùm sáng hồng ngoại.
Vậy từ Năng lượng ánh sáng chuyển thành Năng lượng điện.
2.1.2 Phát hiện khí Gas trong nhà bếp:
Khí gas có các thành phần chính là Propan, Butan và 1 số thành phần khác. Khi khí gas trong không khí, sử dụng cảm biến MQ2 nhận biết theo nguyên lý thay đổi điện trở, ta nhận biết được khí gas.
Cảm biến MQ2: là cảm biến khí có độ nhạy cao với khí gas và Hydro và hơi dễ bắt lửa khác.
Hình 2.1.2.a.1.1.1: Cảm biến khí MQ2
MQ2 gồm 2 bộ phận chính:
Heater Driven: là bộ phận có cấu tạo có thể phát nhiệt giúp tăng nhiệt độ phía bên trong cảm biến.
Sensing Element: là bộ phận có chức năng cảm nhận sự thay đổi của nồng độ khí cần đo.
Nguyên lý: hoạt động của cảm biến MQ dựa trên sử thay đổi về điện trở giữa hai chân kết nối A-B của bộ phận Sensing Element khi nó phản ứng với loại khí Gas và khí dễ gây cháy.
Sensing Element có thành phần chính là SnO2, SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện, phần Sensing Element khi đó được gọi là Chemiresistors (điện trở hóa học).
Bộ phận Heater Driven có tác dụng làm nóng phần Sensing Element để tăng hiệu suất và hiệu quả của phản ứng. o SnO2 được nung nóng tới nhiệt độ cao, O2 sẽ hấp phụ trên bề mặt Khi không khí trong lành, các electron tự do của SnO2 sẽ bị hút bởi O2. Điều này gây ra suy giảm electron tư do, gây ra SnO2 có điện trở suất cao và ngăn cản dòng điện chạy qua. o Nhưng khi có khí gas và khí gây cháy, lớp bề mặt bị O2 hấp phụ sẽ giảm, do gas và khí gây cháy phản ứng với nó Kết quả, e tự do giải phóng, cho phép dòng điện đi qua.
Hình 2.1.2.a.1.1.3: Minh họa bề mặt SnO 2
Khi đã xác định rõ các loại cảm biến MQ-2 là một dạng Chemiresistors (tạm dịch là điện trở hóa học) với giá trị điện trở (độ dẫn điện) thay đổi khi phản ứng với loại khí cần đo ta có sơ đồ mạch điện như sau để có thể chuyển đổi giá trị điện trở thành điện áp để đọc bằng ADC (bộ chuyển đổi điện áp thành tín hiệu logic) của mạch xử lý.
Hình 2.1.2.a.1.1.4: Sơ đồ mạch điện MQ2 chuyển đổi điện trở thành điện áp.
Vcc: điện áp cấp nguồn cho cảm biến.
Rs: Giá trị điện trở của bộ phận Sensing Element giữa hai chân kết nối A-B.
RH: Điện trở bảo vệ bộ phận phát nhiệt Heater Driven, có giá trị theo khuyến nghị của nhà sản xuất tùy theo loại cảm biến.
R0: Điện trở tạo thành cấu trúc cầu phân áp với RS, có giá trị xác định theo khuyến nghị của nhà sản xuất tùy theo loại cảm biến.
Vout: Điện áp đầu ra thay đổi theo giá trị của RS.
Ta thấy theo công thức trong hình giá trị Vout sẽ thay đổi theo giá trị của điện trở RS, mà RS sẽ thay đổi khi bộ phận Sensing Element phản ứng với loại khí cần đo, khi đó dùng mạch xử lý để đo Vout ta xác định được giá trị không khí cần đo. Chuyển đổi tín hiệu analog:
ValueADC: giá trị sau khi chuyển đổi.
Vin: Điện áp đầu vào cần chuyển đổi.
Vmẫu: Phạm vi tối đa của ADC đo được
Bit_ADC: Số bit của ADC.
Thiết kế hệ thống
Hình 2.2.1.a.1.1.2: Mạch tín hiệu đầu vào
Hình 2.2.1.a.1.1.3: Mạch tín hiệu ra
Link mô phỏng trên Wowki: https://wokwi.com/projects/388180898405574657
Hình 2.2.2.a.1.1.1: Mô phỏng hệ thống cảnh báo cháy và khí gas trên Wowki.
(Do thiết bị không có quạt, dùng 1 bóng đèn led để thay thế).
Điều chỉnh cảm biến khí gas:
Hình 2.2.2.a.1.1.2: Cảm biến khí gas trong mô phỏng.
Điều chỉnh cảm biến lửa:
Hình 2.2.2.a.1.1.3: Cảm biến lửa trong mô phỏng.
Hệ thống hoạt động: LCD hiện thị an toàn hoặc cảnh báo và điều khiển cơ cấu chấp hành.
Hình 2.2.2.a.1.1.4: Trạng thái hoạt động của hệ thống trong mô phỏng.
2.2.3 Thông số kỹ thuật linh kiện sử dụng:
Hình 2.2.3.a.1.1.1: Vi điều khiển Esp32 Devkit V1.
• Module trung tâm: Wifi BLE Soc ESP32, Dual core.
• Nguồn vào: 5VDC từ cổng micro USB
• Tích hợp mạch nạp và giao tiếp UARTCP2102
• Tích hợp Led Status, nút BOOT và UNABLE
Hình 2.2.3.a.1.1.2: Sơ đồ chân ESP32
Thông số cảm biến phát hiện lửa
Tín hiệu ra: Digital 3.3 – 5VDC tùy nguồn cấp hoặc Analog.
17 c Cảm biến khí gas (MQ2):
Phạm vi phát hiện rộng
Tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao
Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài d Còi Chíp 9.5x12mm
Còi chip là linh kiện thường được dùng trong các mạch điện tử với mục đích tạo ra tín hiệu âm thanh.
Điện áp sử dụng: 3-12VDC
Âm thanh đầu ra: Bíp bíp
Biên độ âm thanh: > 80dB
Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 70 độ C
Kích thước của còi chip 9.5x12mm: 9.5x12mm
cực: Cực âm, cực dương
Chân ngắn: Cực âm e Relay 1 kênh:
Module relay bản chất là dùng relay để điều khiển đóng mở, dùng điện áp nhỏ để kích mở điện áp lớn Module relay 5VDC Có kích thước nhỏ gọn, tiện lợi và dễ sử dụng nên được sử dụng rất rộng rãi Thường được dùng như một công tắc điện , dùng để điều khiển các thiết bị công suất lớn ( đèn, động cơ, )
Hình 2.2.3.e.1.1.1: Sơ đồ chân Relay 1 kênh.
Thông Số Kỹ Thuật Của Module Relay:
Chân IN: kích mở relay
Jump H/L level trigger: thiết lập mức điều khiển relay Có 2 mức : HIGH / LOW.
Đầu ra: o COM: Tiếp điểm relay o NO: chân thường mở
19 o NC: chân thường đóng f LCD I2C:
Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780).
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
VCC: Chân nối nguồn cho LCD (5V)
GND: Chân nối đất cho LCD
Thông số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 3V đến 5V
Kích thước: 30mm x 30mm x 8mm.
Danh mục vật tư
Bảng 2.3.1.a.1.1.1.1: Bảng danh mục vật tư.
T Tên vật tư Ảnh mẫu Số lượng Ghi chú
Kết luận
Cấu trúc hệ thống bao gồm 4 khối chủ đạo ( nguồn, cảm biến, vi xử lý, hiển thị), cung cấp sơ đồ nguyên lý tổng thể mô tả tín hiệu đầu ra của cảm biến dạng số.
Kỹ năng sử dụng phần mềm để mô phỏng mạch, kỹ năng lập trình vi điều khiển ESP32 thông qua phần mềm Arduino IDE.
Cách đọc tín hiệu gửi về từ cảm biến từ đó đưa ra kết quả ra khối hiển thị chính xác và đạt kết quả cao.
THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM
Thi công và đánh giá sản phẩm
Hình 3.1.1.a.1.1.1: Mô hình ngôi nhà sau khi thi công.
Hình 3.1.1.a.1.1.2: Hình ảnh ngôi nhà sau khi thi công
Hình 3.1.1.a.1.1.3: Khu vực gara ô-tô đã thi công lắp đặt xong cảm biến
Thử nghiệm và đánh giá sản phẩm
Hình 3.2.1.a.1.1.1: Thử nghiệm cảm biến lửa
Hình 3.2.1.a.1.1.2: Hiện thị cảnh báo lửa
Hình 3.2.1.a.1.1.3: Hiện thị cảnh báo khí gas và khói
- Các yêu cầu kỹ thuật cần đạt: Độ chính xác cao: 90%.
Tốc độ phản ứng nhanh,.
Có thể sử lý cùng lúc nhiều nhiệm vụ.
Thực hiện được các chức phát hiện cảnh báo và hiện thị trên LCD
Có thể sử lí các nhiệm vụ đồng thời.
Tốc độ phản ứng nhanh.
Cảm biến khí gas và cảm biến lửa bị nhiễu do nhiều yếu tố.
Không hoạt động được liên tục.
