Thiết kế và chế tạo mô hình cảnh báo, ngăn chặn tài xế sử dụng Đồ uống có cồn khi tham gia giao thông

Phương pháp báo cháy qua cảm biến nhiệt Cảm biến nhiệt được sử dụng để phát hiện sự gia tăng nhiệt độ đột ngộttrong không gian, có thể là dấu hiệu của cháy.. Tiêu chí đặt ra Khi thiết kế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CẢNH BÁO, NGĂN CHẶN TÀI XẾ SỬ DỤNG ĐỒ UỐNG CÓ CỒN KHI THAM GIA GIAO THÔNG

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

TRƯỜNG SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về các phương pháp đo nồng đồ cồn

2.1 Tổng quan vi điều khiển

2.2 Giới thiệu về Adruino Mega 2560

2.3 Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

3.1 Sơ đồ khối hệ thống

3.2 Sơ đồ điều khiển và mạch động lực

3.3 Tính toán lựa chọn thiết bị

3.4 Sơ đồ tổng thể của hệ thống

3.5 Mô hình phần cứng

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

4.1 Chọn quy trình công nghệ cho hệ thống

4.2 Lưu đồ thuật toán

4.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng và lập trình cho vi điều khiển

KẾT LUẬN

- Kết quả đạt được

- Ưu điểm và nhược điểm

- Hướng phát triển trong tương lai

TÀI LIỆU KHAM KHẢO

Ngô Đăng Hùng Đỗ Thành Thiên Ân

Trần Quang Hiếu

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

MỤC LỤC

ĐỀ CƯƠNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN 1

MỤC LỤC 3

DANH SÁCH MỤC HÌNH ẢNH 7

LỜI NÓI ĐẦU 9

LỜI CẢM ƠN 10

MỞ ĐẦU 11

Lý do chọn đề tài 11

Phạm vi ứng dụng 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 13

1.1 Tổng quan về các phương pháp đo nồng độ cồn 13

1.1.1 Phương Phương pháp báo cháy qua cảm biến khói 13

1.1.2 Phương pháp báo cháy qua cảm biến nhiệt 13

1.1.3 Phương pháp báo cháy qua camera hồng ngoại 14

1.1.4 Phương pháp báo cháy qua cảm biến khí gas 14

1.1.5 Phương pháp báo cháy qua cảm biến kết hợp 15

1.2 Tiêu chí đặt ra 15

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế 15

1.4 Hệ thống đề xuất 16

1.4.1 Nguyên lý hoạt động 16

1.4.2 Mô hình phác thảo 16

1.4.3 Các linh kiện dùng trong đề tài 16

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 17

2.1 Tổng quan vi điều khiển 17

2.1.1 Vi điều khiển 17

2.1.2 Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển 17

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

2.1.2.1 CPU(Vi xử lý) 17

2.1.2.2 Ocscillator Circuit 18

2.1.2.3 Timer và counter 18

2.1.2.4 Memory 19

2.1.3 Các ngoại vi của vi điều khiển 19

2.1.3.1 I/O Ports – Input/ouput 19

2.1.3.2 Các chuẩn giao tiếp 20

2.1.3.3 Bộ chuyển đổi Analog sang digital (ADC) 20

2.1.3.4 Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC) 20

2.1.3.5 Interrupt Control 20

2.1.3.6 Special Functioning block 20

2.1.4 Lập trình cho dòng vi điều khiển 20

2.1.5 Nạp chương trình 21

2.1.6 Debug chương trình 21

2.1.7 Ưu và nhược điểm của vi điều khiển 21

2.1.7.1 Ưu điểm 21

2.1.7.2 Nhược điểm 21

2.1.8 Ứng dụng của vi điểu khiển 21

2.1.9 Lập trình cho Arduino 22

2.2 Giới thiệu về Adruino Uno R3 23

2.2.1 Khái niệm 23

2.2.2 Cấu tạo và thông số kỹ thuật 24

2.2.3 Các phần của Arduino Uno R3 27

2.2.4 Ứng dụng thực tế 27

2.3 Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE 29

2.3.1 Phần mềm Arduino IDE là gì 29

2.3.2 Cổng com của Arduino IDE 29

2.3.3 Phần mềm Arduino IDE hoạt động như thế nào 29

2.3.4 Lý do lựa chọn sử dụng phần mềm Arduino IDE 30

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

2.3.4.1 Phần mềm lập trình mã nguồn mở miễn phí 30

2.3.4.2 Sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ thân thiện với các lập trình viên 30

2.3.4.3 Thư viện hỗ trợ phong phú 30

2.3.4.4 Giao diện đơn giản, dễ sử dụng 31

2.3.4.5 Hỗ trợ đa nền tảng như Windows, MacOS, Linux 32

2.3.4.6 Giao diện Arduino IDE 32

2.3.4.7 Vùng lệnh của Arduino IDE 32

2.3.4.8 Vùng viết chương trình của Arduino IDE 33

2.3.4.9 Vùng thông báo (Debug) 33

2.4 Cảm biến khói MP-2 34

2.4.1 Khái niệm 34

2.4.2 Thông số kỹ thuật 34

2.4.3 Sơ đồ mạch điện 35

2.4.4 Cấu tạo 35

2.4.5 Nguyên lý hoạt động 36

2.5 Module MP3 Miniplayer 36

2.5.1 Khái niệm 36

2.5.2 Thông số kỹ thuật 37

2.5.3 Chức năng các chân của Module MP3 Miniplayer 37

2.6 Loa toàn dải 3W 38

2.6.1 Khái niệm 38

2.6.2 Thông số kỹ thuật 38

2.7 Đèn Led 39

2.7.1 Khái niệm 39

2.7.2 Thông số kỹ thuật 39

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 41

3.1 Sơ đồ khối hệ thống 41

3.2 Sơ đồ điều khiển và mạch động lực 42

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

3.2.1 Sơ đồ mạch điều khiển 42

3.2.2 Sơ đồ mạch động lực 42

3.2.3 Sơ đồ toàn hệ thống 43

3.3 Tính toán lựa chọn thiết bị 44

3.3.1 Tính chọn hộp đựng linh kiện 44

3.3.2 Tính chọn cảm biến đo nồng độ 46

3.4 Sơ đồ tổng thể của hệ thống 48

3.5 Mô hình phần cứng 48

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 50

4.1 Chọn quy trình công nghệ cho hệ thống 50

4.1.1 Quy trình công nghệ 1 50

4.1.2 Quy trình công nghệ 2 50

4.1.3 Chọn quy trình công nghệ phù hợp 51

4.2 Lưu đồ thuật toán 51

4.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng và lập trình cho vi điều khiển 52

4.3.1 Phần mềm proteus 52

4.3.2 Phần mềm Arduino 53

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 59

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

DANH SÁCH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cảm biến nhiệt cố định Hình 1.2 Cảm biến nhiệt độ tăng đột ngột 14

Hình 1.3 Phát hiện nồng độ cồn trong mồ hôi nhờ các cảm biến tiếp xúc với mô da 15

Hình 1.4 Công nghệ phát hiện nồng độ cồn DADSS 16

Hình 1.5 Mô hình phác thảo thiết bị 18

Hình 2.1 Cấu trúc của vi điểu khiển 17

Hình 2.2 CPU (Vi xử lý) 18

Hình 2.3 Ocscillator Circuit 18

Hình 2.4 Random access memory 19

Hình 2.5 Ngoại vi của vi điều khiển 19

Hình 2.6 Phần mềm nạp chương trình Adruino IDE 22

Hình 2.7 Arduino Uno R3 23

Hình 2.8 Sơ đồ chân chi tiết của Arduino Uno R3 24

Hình 2.9 ICSP 27

Hình 2.10 Robot không người lái 28

Hình 2.11 Máy CNC 3 trục XYZ sử dụng Arduino Uno R3 28

Hình 2.12 Phần mềm lập trình Arduino IDE 29

Hình 2.13 Arduino IDE – Phần mềm lập trình mã nguồn mở miễn phí 30

Hình 2.14 Thư viện Library Manager vô cùng đa dạng 31

Hình 2.15 Một số tính năng thường xuyên sử dụng trên phần mềm 31

Hình 2.16 Các vùng lệnh trên giao diện phần mềm 32

Hình 2.17 Một số nút lệnh trên giao diện phần mềm 32

Hình 2.18 Vùng viết chương trình trên giao diện phần mềm 33

Hình 2.19 Vùng thông báo lỗi trên giao diện phần mềm 33

Hình 2.20 Cảm biến khói MP-2 34

Hình 2.21 Sơ đồ mạch điện module cảm biến khói MP-2 35

Hình 2.22 Cấu tạo bên trong cảm biến MP-2 36

Hình 2.24 Module MP3- Miniplayer 36

Hình 2.28 Loa toàn dải 3W 38

Hình 2.29 Đèn Led 39

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 47

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điều khiển 48

Hình 3.3 Sơ đồ mạch điều khiển 48

Hình 3.4 Sơ đồ mạch động lực 49

Hình 3.5 Sơ đồ toàn hệ thống khi mô phỏng trên proteus 50

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

Hình 3.6 Mặt trong của hộp 51

Hình 3.7 Mặt trên của hộp 51

Hình 3.8 Hộp dự kiến 52

Hình 3.9 Cảm biến MQ-3 52

Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện của cảm biến 54

Hình 3.11 Sơ đồ tổng thể hệ thống 54

Hình 3.12 Mô hình phần cứng 55

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán 58

Hình 4.2 Giao diện proteus 59

Hình 4.3.Giao din Arduino IDE 60

Hình 4.4 Chọn Arduino Mega 2560 61

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, các vụ hỏa hoạn liên tiếp xảy ra tại các hộ gia đình, tòa nhà văn phòng và cơ sở sản xuất, gây ra những thiệt hại nghiêm trọng

về tài sản và con người Dù các biện pháp phòng cháy chữa cháy đã được triển khai rộng rãi, nhưng sự chậm trễ trong việc phát hiện và cảnh báo kịp thời vẫn là

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

thống báo cháy tự động là nhu cầu cấp thiết nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu thiệthại do hỏa hoạn Hệ thống báo cháy tự động đóng vai trò quan trọng trong việcphát hiện sớm các dấu hiệu cháy nổ như khói hoặc nhiệt độ tăng cao bất thường.Khi lắp đặt và vận hành đúng cách, hệ thống có thể hoạt động liên tục, đảm bảocảnh báo kịp thời khi xảy ra sự cố, giúp người dùng có đủ thời gian để phản ứng

và thực hiện các biện pháp an toàn Việc lắp đặt hệ thống báo cháy tự độngkhông chỉ góp phần nâng cao ý thức phòng ngừa của cá nhân mà còn tạo ra mộtlớp bảo vệ chủ động cho các tòa nhà, nhà máy và không gian sinh hoạt nhỏ nhưnhà ở Hệ thống có thể hoạt động độc lập, dễ dàng lắp đặt trong nhiều môi

trường với chi phí hợp lý Nhóm chúng em nhận thấy việc “Thiết kế và chế tạo

hệ thống báo cháy thông minh” là rất cần thiết Hệ thống có khả năng cảnh

báo sớm và chính xác, giúp ngăn ngừa sự cố cháy nổ ngay từ giai đoạn đầu,giảm thiểu rủi ro về tính mạng và tài sản Bên cạnh đó, hệ thống còn có thể kếthợp với các biện pháp hiện hành để đảm bảo an toàn cháy nổ toàn diện và hiệuquả Hệ thống báo cháy tự động được coi là giải pháp hiệu quả trong việc cảnhbáo và ngăn ngừa hỏa hoạn ngay từ những phút giây đầu tiên Khi phát hiện dấuhiệu cháy nổ, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo, giúp người dùng kịp thời xử lý vàthoát hiểm an toàn, giảm thiểu nguy cơ hỏa hoạn lan rộng Đặc biệt, hệ thống cóthể kết hợp với các biện pháp phòng cháy chữa cháy hiện hành, tạo ra một mạnglưới bảo vệ toàn diện, góp phần bảo vệ tính mạng và tài sản.Việc thiết kế vàtriển khai hệ thống báo cháy tự động nhằm mang lại sự an toàn cao nhất cho mọingười trong bối cảnh nguy cơ hỏa hoạn ngày càng gia tăng, đồng thời đóng gópvào việc xây dựng môi trường sống và làm việc an toàn, hiện đại và bền vững

Sinh viên thực hiện

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

Nhóm … xin chân thành cảm ơn!!!

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

ra hơn 3.000 vụ cháy, khiến hơn 100 người chết, 150 người bị thương và gâythiệt hại tài sản lên đến hơn 1.500 tỷ đồng Trong đó, hầu hết các vụ cháy diễn ratại các khu dân cư, nhà ở, cơ sở kinh doanh và các tòa nhà văn phòng, vớinguyên nhân chính đến từ sự cố điện, thiết bị điện quá tải hoặc cháy nổ do khígas

Đặc biệt, theo thống kê của Hội đồng Phòng cháy Chữa cháy Quốc gia,khoảng 70% số vụ cháy có nguyên nhân từ sự chậm trễ trong việc phát hiện và

xử lý ban đầu Những vụ cháy này có thể đã được ngăn chặn hoặc hạn chế thiệthại nếu hệ thống báo cháy kịp thời phát hiện và cảnh báo người dùng Hiện nay,tại nhiều nơi, đặc biệt là các hộ gia đình và cơ sở nhỏ lẻ, việc lắp đặt các thiết bịbáo cháy vẫn chưa được chú trọng đúng mức, khiến các sự cố cháy nổ vẫn tiếptục diễn ra thường xuyên

Ngoài ra, báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) về an toàn phòng cháychữa cháy cho thấy rằng, khoảng 90% số người tử vong trong các vụ cháy là dokhông được cảnh báo kịp thời để có thể thoát hiểm Điều này cho thấy rằng, sựthiếu hụt các hệ thống báo cháy tự động trong nhiều khu vực đã dẫn đến nhữnghậu quả nghiêm trọng

Với những thực trạng đáng báo động này, việc nâng cao ý thức phòng cháychữa cháy và lắp đặt các hệ thống báo cháy tự động, có khả năng phát hiện vàcảnh báo sớm là vô cùng cấp thiết Để giải quyết vấn đề này, nhóm chúng em đãquyết định thiết kế và chế tạo “hệ thống báo cháy thông minh” nhằm giảmthiểu các rủi ro do cháy nổ gây ra, đảm bảo an toàn cho người dân và tài sản

Nhu cầu sử dụng hệ thống báo cháy tự động

Trong thời đại 4.0, việc áp dụng công nghệ vào đời sống, đặc biệt là lĩnhvực an toàn phòng cháy chữa cháy, là điều rất cần thiết Hệ thống báo cháythông minh ra đời không chỉ giúp phát hiện và cảnh báo sớm các nguy cơ cháy

nổ mà còn tạo ra một lớp bảo vệ an toàn cho các tòa nhà, văn phòng và nhàxưởng Hệ thống này có khả năng hoạt động liên tục, dễ dàng lắp đặt và vận

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

hành, giúp người dùng chủ động trong việc phòng ngừa cháy nổ, hạn chế nhữngrủi ro có thể xảy ra

Mục tiêu của đề tài

Hiệu quả của hệ thống báo cháy tự động là rất lớn Hệ thống đáp ứng đượchai mục tiêu chính:

Phát hiện và cảnh báo sớm các nguy cơ cháy nổ, hạn chế tối đa thiệt hại

về người và tài sản

Nâng cao nhận thức về phòng cháy chữa cháy, giúp người dân chủ độngtrong việc bảo vệ an toàn không gian sống và làm việc

Phạm vi ứng dụng

Lựa chọn những công nghệ phù hợp áp dụng thực tế tại Việt Nam

Hệ thống có thể lắp đặt dễ dàng trong các không gian như nhà ở, vănphòng, và nhà máy nhỏ

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về các phương pháp đo nồng độ cồn

1.1.1 Phương Phương pháp báo cháy qua cảm biến khói

Đây là phương pháp phổ biến nhất, sử dụng cảm biến khói để phát hiện sựhiện diện của khói trong không khí Khi nồng độ khói vượt quá một ngưỡng antoàn, cảm biến sẽ kích hoạt hệ thống cảnh báo (thường là còi báo cháy) Các loạicảm biến khói thông dụng hiện nay gồm:

Cảm biến ion hóa: Phát hiện các hạt khói nhỏ bằng cách sử dụng mộtnguồn phóng xạ để ion hóa không khí giữa hai điện cực Khi khói xâm nhập vàovùng này, nó làm gián đoạn dòng điện, từ đó kích hoạt báo động

Cảm biến quang học (quang điện): Phát hiện sự hiện diện của khói bằngcách sử dụng ánh sáng LED Khi khói xâm nhập vào cảm biến, nó làm tán xạánh sáng, từ đó kích hoạt báo động

1.1.2 Phương pháp báo cháy qua cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt được sử dụng để phát hiện sự gia tăng nhiệt độ đột ngộttrong không gian, có thể là dấu hiệu của cháy Có hai loại cảm biến nhiệt chính:Cảm biến nhiệt cố định (Hình 1.1): Kích hoạt báo động khi nhiệt độ vượtqua một ngưỡng nhất định

Cảm biến nhiệt độ tăng đột ngột: Kích hoạt báo động khi nhiệt độ tăngnhanh trong một khoảng thời gian ngắn, ngay cả khi nhiệt độ chưa đạt đếnngưỡng cố định

Hình 1.1 Cảm biến nhiệt cố định Hình 1.2 Cảm biến nhiệt độ tăng đột ngột

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG 1.1.3 Phương pháp báo cháy qua camera hồng ngoại

Camera hồng ngoại (Hình 1.3) có khả năng phát hiện cháy thông qua sự thayđổi nhiệt độ và ánh sáng do lửa tạo ra Phương pháp này được sử dụng trong cáckhu vực rộng lớn như rừng, nhà máy, hoặc kho hàng Khi nhiệt độ trong tầmquan sát của camera vượt quá ngưỡng an toàn hoặc xuất hiện ánh sáng của lửa,

hệ thống sẽ cảnh báo

Hình 1.3 Camera hồng ngoại

1.1.4 Phương pháp báo cháy qua cảm biến khí gas

Một số hệ thống báo cháy hiện đại có tích hợp cảm biến như hình 1.4 đểphát hiện sự rò rỉ của các loại khí gas dễ cháy như methane, propane, hoặcbutane Khi phát hiện nồng độ khí gas vượt ngưỡng an toàn, hệ thống sẽ phát racảnh báo Phương pháp này thường được sử dụng trong các nhà máy côngnghiệp, khu vực chứa các nhiên liệu hóa học hoặc các khu vực có nguy cơ rò rỉkhí gas

Hình 1.4 Cảm biến khí gas MQ-2

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG 1.1.5 Phương pháp báo cháy qua cảm biến kết hợp

Hiện nay, nhiều hệ thống báo cháy tiên tiến sử dụng kết hợp nhiều loại cảmbiến, bao gồm cả cảm biến khói, nhiệt, và khí gas, để tăng cường độ chính xác

và giảm thiểu báo động giả Những hệ thống này có khả năng phân tích dữ liệu

từ các cảm biến khác nhau và đưa ra quyết định cảnh báo chỉ khi tất cả các yếu

tố chỉ ra sự hiện diện của một đám cháy thực sự

1.2 Tiêu chí đặt ra

Khi thiết kế hệ thống báo cháy thông minh, các tiêu chí cần đặt ra nhằmđảm bảo hiệu quả hoạt động, tính ổn định, và tiện ích cho người dùng bao gồm:+ Hệ thống phải sử dụng cảm có khả năng phát hiện khói với độ nhạy cao,giúp cảnh báo kịp thời khi có sự cố cháy Điều này đảm bảo hệ thống có thể pháthiện được các đám cháy ngay từ giai đoạn đầu, trước khi trở thành nguy hiểm.+ Âm thanh cảnh báo đủ lớn và dễ nhận biết để người dùng có thể nhanhchóng phản ứng Âm thanh cảnh báo có thể phát ra giọng nói để trực quan nhất

có thể

+ Đèn báo cháy có màu sắc phù hợp, dễ dàng nhận biết khi có cháy xảy ra.+ Góp phần hạn chế hậu quả do cháy gây ra

+ Hoạt động ổn định, giá thành phù hợp, dễ lắp đặt

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Từ các phương pháp đã nêu, có nhiều cách tiếp cận để phát hiện sự cố cháy

nổ Sau khi tham khảo các nghiên cứu và ứng dụng gần đây trong lĩnh vực thiết

bị báo cháy và cứu hỏa tại các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật Bản, và cáchãng công nghệ chuyên về thiết bị an toàn (Honeywell, Bosch, Kidde ), chúngtôi nhận thấy rằng, phương pháp sử dụng cảm biến khói (đặc biệt là cảm biếnMP-2) kết hợp với hệ thống báo động âm thanh hiện đang được áp dụng phổbiến và mang lại hiệu quả cao

So với các phương pháp sử dụng camera nhiệt hoặc cảm biến phát hiện lửa,phương pháp sử dụng cảm biến khói MP-2 cho kết quả nhanh hơn và có độ nhạycao đối với khói và các chất khí dễ cháy Với phương pháp này, thời gian phảnhồi chỉ mất khoảng 2 đến 5 giây sau khi phát hiện khói Ngoài ra, hệ thống báođộng bằng âm thanh qua module MP3 miniplayer giúp cảnh báo người dùng một

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

cách tức thời và hiệu quả Hệ thống còn sử dụng thêm hệ thống đèn Led cảnhbáo chuyển trạng thái để có thể nhận biết cháy nhanh nhất có thể

Do đó, chúng em quyết định chọn phương án sử dụng cảm biến khói MP-2kết hợp với module MP3 miniplayer để tạo ra âm thanh cảnh báo, cụm đèn Led

để dễ dàng nhận biết Các linh kiện này dễ dàng lập trình và tích hợp với vi điềukhiển Arduino, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và có thể ứng dụng rộng rãitrong các không gian khác nhau như chung cư, nhà ở, văn phòng, và nhà kho

1.4 Hệ thống đề xuất

1.4.1 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống báo cháy tự động sử dụng cảm biến khói MQ-2 để liên tục pháthiện khói Khi nồng độ khói vượt ngưỡng an toàn, cảm biến gửi tín hiệu đếnArduino để kích hoạt cảnh báo bằng âm thanh qua Module MP3 và đồng thờibật đèn LED cảnh báo Đèn LED sẽ sáng để thu hút sự chú ý

Người dùng có thể sử dụng nút nhấn để điều khiển cảnh báo Cụ thể:Nhấn một lần để kích hoạt âm thanh cảnh báo và đèn LED

Nhấn thêm một lần nữa để tắt âm thanh cảnh báo và đèn LED, đưa hệthống về trạng thái chờ

1.4.2 Mô hình phác thảo

Hình 1.5 Mô hình phác thảo thiết bị

1.4.3 Các linh kiện dùng trong đề tài

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CÁC

THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

2.1 Tổng quan vi điều khiển

2.1.1 Vi điều khiển

Vi điều khiển giống như một máy tính được tích hợp trên một con chip vàđược sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Nó là một hệ thống nhúng khépkín với các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ Nó được ứng dụng trong việcchế tạo khá nhiều thiết bị điện tử dân dụng như điện thoại, xe hơi, thiết bị đènled, máy đo nhiệt độ môi trường,…

Có nhiều loại vi điều khiển khác nhau, chúng được phân loại dựa theo cácthông số như Bits, kích thước bộ nhớ RAM, Flash, số lượng dòng đầu vào vàđầu ra,… Để vi điều khiển có thể cung cấp đúng dữ liệu mà mình cần ngườidùng có thể điều chỉnh các thông số kỹ thuật trong bộ lọc thông số

2.1.2 Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển

Hình 2.1 Cấu trúc của vi điểu khiển

2.1.2.1 CPU(Vi xử lý)

CPU (Center Programing Unit) hay bộ xử lý trung tâm là bộ não của vi

điều khiển CPU chịu trách nhiệm nạp lệnh, giải mã và thực thi Tất cả nhữnghành vi của vi điều khiển đều là do CPU điều khiển Chúng giao tiếp với cácphần khác trong vi điều khiển thông qua hệ thống Bus

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

Chúng ta thường nghe quảng cáo dòng vi xư lý có tốc độ bao nhiêu Ghz gì

gì đó, chính là tốc độ Clock mà vi xử lý đó có thể đáp ứng được, tốc độ xungcàng cao thì tốc độ xử lý của CPU cũng tăng lên Đương nhiên mọi thứ đều cógiới hạn của nó

Hình 2.3 Ocscillator Circuit

2.1.2.3 Timer và counter

Một vi điều khiển có thể có nhiều bộ đếm thời gian và bộ đếm Bộ đếmthời gian và bộ đếm có chức năng đếm thời gian tạo ra các sự kiện để vi điềukhiển hoạt động đúng thời điểm

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG 2.1.2.4 Memory

Bộ nhớ có thể coi là một phần không thể thiếu, chúng là nơi lưu trữ chươngtrình nạp lên hoặc dùng làm nơi chứa các thông tin tức thời mà CPU cần dùngtới Có 2 kiểu bộ nhớ cơ bản:

RAM (Random access memory) là bộ nhớ lưu các dữ liệu mà CPU cần

dùng để tính toán, đưa ra quyết định, chúng sẽ bị xóa khi mất điện

ROM/EPROM/EEPROM hoặc Flash là bộ nhớ lưu trữ chương trình hay trí

khôn của vi điều khiển, chúng được ghi khi chúng ta nạp chương trình vào viđiều khiển, không bị mất khi tắt điện hoặc reset

Hình 2.4 Random access memory

2.1.3 Các ngoại vi của vi điều khiển

Hình 2.5 Ngoại vi của vi điều khiển

2.1.3.1 I/O Ports – Input/ouput

Có thể coi I/O Port là tay chân của vi điều khiển, chúng giúp cho vi điềukhiển tương tác với các thành phần khác ngoài môi trường

Cổng đầu vào / đầu ra được sử dụng chủ yếu điều khiển hoặc giao tiếp cácthiết bị như màn hình LCD, đèn LED, máy in,…cho vi điều khiển

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG 2.1.3.2 Các chuẩn giao tiếp

Giống như miệng và tai vậy Vi điều khiển sẽ sử dụng các chuẩn giao tiếpkhác nhau để liên lạc với nhau hoặc liên lạc với các phâng tử khác trên mạch

Có thể kể đến như I2C, SPI, UART, USB, …

2.1.3.3 Bộ chuyển đổi Analog sang digital (ADC)

Bộ chuyển đổi ADC được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog sang dạngdigital Tín hiệu đầu vào trong bộ chuyển đổi này phải ở dạng analog (ví dụ: đầu

ra cảm biến) và đầu ra từ thiết bị này ở dạng digital

2.1.3.4 Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC)

Hoạt động của DAC là đảo ngược của ADC DAC chuyển đổi tín hiệudigital thành định dạng analog Nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết

bị analog như động cơ DC, các ổ đĩa…

2.1.3.5 Interrupt Control

Ngoài việc thực thi chương trình, vi điều khiển còn phải tương tác với cáctác nhân bên trong và bên ngoài Các tác nhân này sẽ tạo ra các sự kiện gọi làNgắt, để quản lý nó cần có một khối quản lý ngắt (Interrupt control)

2.1.3.6 Special Functioning block

Một số vi điều khiển chỉ được sử dụng cho một số ứng dụng đặc biệt khiểnnày có chứa các cổng bổ sung để thực hiện các hoạt động đặc biệt đó Đây đượccoi là khối chức năng đặc biệt

2.1.4 Lập trình cho dòng vi điều khiển

Nếu vi điều khiển chỉ là thân xác, thì việc lập trình chính là các bạn đangtạo ra linh hồn cho nó

Để lập trình vi điều khiển thì bắt buộc các bạn phải học ngôn ngữ C, vìngôn ngữ C có thể can thiệp tới tầng thấp nhất của phần cứng, điều mà các ngônngữ khác không làm được

Sau đó ngôn ngữ đó được thông dịch lại cho vi điêu khiển hiểu, quá trình

đó gọi là biên dịch Thường thì sẽ tạo ra file hex hoặc bin

Mọi thao tác đó được lập trình viên viết ra bằng ngôn ngữ lập trình C hoặcngôn ngữ khác

Muốn làm được điều này, các bạn cần có một trình biên dịch, hoặc môitrường lập trình tích hợp (IDE) Có thể kể đến như KeilC, Arduino, VScode, …

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG 2.1.5 Nạp chương trình

Các bạn cần có một mạch nạp và một chương trình nạp phù hợp với mạchnạp đó Công việc nạp được cụ thể hoá bằng việc cắm mạch nạp vào máy tính,bật chương trình nạp, load file HEX vào chương trình nạp, lựa chọn vi điềukhiển cần nạp, cài đặt các thông số nạp, và nạp vào vi điều khiên đó Các mạchnạp có thể kể đến như: ST Link, JTAG, ISP, ADRUINO UNO R3, ADRUINONANO, SP200,…

2.1.6 Debug chương trình

Cuối cùng là công đoạn gian nan mà mỗi lập trình viên đều phải làm, đó làDebug Hay nói các khác là sửa những lỗi lập trình khiển code của bạn khônghoạt động đúng

Một lập trình viên giỏi không phải là người viết code nhanh, viết đc nhiềucode Mà là người có thể fix đc hết Bug hoặc nhiều Bug nhất có thể

2.1.7 Ưu và nhược điểm của vi điều khiển

2.1.7.1 Ưu điểm

Vi điều khiển hoạt động như một máy vi tính không có bất kỳ bộ phận kỹthuật số nào Tích hợp cao hơn bên trong vi điều khiển làm giảm chi phí và kíchthước của hệ thống Việc sử dụng vi điều khiển rất đơn giản, dễ khắc phục sự cố

và bảo trì hệ thống

Hầu hết các chân được lập trình bởi người dùng để thực hiện các chức năngkhác nhau Dễ dàng kết nối thêm các cổng RAM, ROM, I/O Cần ít thời gian đểthực hiện các hoạt động

2.1.8 Ứng dụng của vi điểu khiển

Vi điều khiển hiện hữu trên rất nhiều mặt của cuộc sống Bạn có thể tìmthấy vi điều khiển trong tất cả các loại thiết bị điện tử hiện nay

Bất kỳ thiết bị nào liên quan đến đo lường, lưu trữ, điều khiển, tính toánhoặc hiển thị thông tin đều phải có chip vi điều khiển bên trong

Ứng dụng lớn nhất của vi điều khiển là trong ngành công nghiệp ô tô (viđiều khiển được sử dụng rộng rãi để kiểm soát động cơ và điều khiển công suất

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

trong ô tô) Bạn cũng có thể tìm thấy vi điều khiển bên trong bàn phím, chuột,modem, máy in và các thiết bị ngoại vi khác

Trong thiết bị thử nghiệm, vi điều khiển giúp bạn dễ dàng thêm các tínhnăng như khả năng lưu trữ số đo, tạo và lưu trữ các thói quen của người dùng vàhiển thị thông báo cũng như dạng sóng Sản phẩm tiêu dùng sử dụng bộ vi điềukhiển bao gồm máy quay kỹ thuật số, đầu phát quang, màn hình LCD, LED…Hay đến với thời đại 4.0 các bạn sẽ thấy vi điều khiển trong các thiết bị IOT,giúp con người kết nối mọi máy móc từ xa thông qua Internet

2.1.9 Lập trình cho Arduino

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhómphát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trìnhArduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) nhưhình dưới đây:

Hình 2.6 Phần mềm nạp chương trình Adruino IDE

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng.Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung

Và Wiring lại là một biến thể của C/C++

Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triểnArduino cũng gọi như vậy Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình thì việc lập trìnhArduino sẽ rất dễ thở đối với bạn

2.2 Giới thiệu về Adruino Uno R3

2.2.1 Khái niệm

Arduino là mô ˜t nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm Phầncứng Arduino ( các board mạch vi xử lý ) nhằm xây dựng các ứng dụng tươngtác với nhau hoặc với môi trường được thuâ ˜n lợi hơn

Arduino Uno R3 là mô ˜t board mạch được tích hợp nhiều tính năng nổi bâ ˜thơn

Thiết kế hê ˜ thống I/O lớn với 14 bô ˜ chuyển đổi tương tự và 6 bô ˜ chuyểnđổi digital hỗ trợ UART và các chế đô ˜ giao tiếp khác

Có sẵn RTC và các tính năng khác như bô ˜ so sánh , timer , ngắt để điềukhiển hoạt đô ˜ng , tiết kiê ˜m điê ˜n năng và tốc đô ˜ nhanh hơn so với xung thạch anh16Mhz

Hỗ trợ JTAG để lâ ˜p trình , gỡ lỗi và xử lý sự cố , với bô ˜ FLASH lớn vàSRAM, board này có thể xử lý chương trình của hê ˜ thống mô ˜t cách dễ dàng Nócũng tương thích với các board mạch khác nhau như tín hiê ˜u mức cao (5V) hoặctín hiê ˜u mức thấp (3,5V) với chân nạp I/O

Brown out và watchdog giúp hê ˜ thống đáng tin câ ˜y và mạnh mẽ hơn Nó hỗtrợ ICSP cũng như lâ ˜p trình vi điều khiển USB với PC

Hình 2.7 Arduino Uno R3

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG 2.2.2 Cấu tạo và thông số kỹ thuật

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Hình 2.8 Sơ đồ chân chi tiết của Arduino Uno R3

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

Bảng 2.2 Thông số chân nguồn

Chân điều khiển:

RESET: Arduino Uno R3 có sẵn mạch reset với nút ấn để thiết lâ ˜p lại hê ˜thống và chân này có thể được sử dụng khi kết nối các thiết bị khác để thiết lâ ˜plại bô ˜ điều khiển

XTAL1, XTAL2: Thạch anh(16Mhz) được kết nối với xung clock cung cấpcho bô ˜ điều khiển

AREF: Chân này được dùng khi sử dụng ADC để chuyển đổi tín hiê ˜u vớiđiê ˜n áp tham chiếu bên ngoài mà không muốn sử dụng điê ˜n áp tham chiếu nô ˜i

Thiết bị đầu ra: Relay, LED, buzzer, LCD và các thiết bị khác

Thiết bị đầu vào: Nút ấn, cảm biến siêu âm, cần điều khiển và các thiết bịkhác

Chân tương tự (16):

Từ A0-A5 (analog) có thể được sử dụng như chân đầu vào tương tự cho bô ˜ADC, nếu không sử dụng nó hoạt đô ˜ng như chân digital bình thường Nó đượcthiết lâ ˜p bởi các hàm pinMode () khai báo chân, analogRead () để đọc trạng tháichân và nhâ ˜n giá trị kỹ thuâ ˜t số cho tín hiê ˜u analog Lưu ý phải cẩn thâ ˜n để lựachọn điê ˜n áp tham chiếu bên trong hoặc bên ngoài và chân Aref

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

Chân SPI (10, 11, 12, 13)

Các chân này được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp với giao thức SPI để liênlạc giữa 2 thiết bị trở lên SPI cho phép bit phải được thiết lâ ˜p để bắt đầu giaotiếp với các thiết bị khác

Ứng dụng: Lâ ˜p trình điều khiển AVR, giao tiếp với những người khácngoại vi như LCD và thẻ SD

Chân I2C:

Chân A4 cho SDA và A5 cho SCK (Tốc đô ˜ 400khz) để cho phép liên lạchai dây với các thiết bị khác Hàm được sử dụng là wire.begin () để bắt đầuchuyển đổi I2C, với wire.Read () để đọc dữ liê ˜u i2c và wire.Write () để ghi dữliê ˜u i2c

Ứng dụng:

Thiết bị đầu ra: LCD và liên lạc giữa nhiều thiết bị với hai dây

Thiết bị đầu vào: RTC và các thiết bị khác

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

Ứng dụng :

Bô ˜ mã hóa vòng quay, nút bấm dựa trên ngắt và các nút khác

2.2.3 Các phần của Arduino Uno R3

Giắc cắm nguồn DC:

Cấp nguồn cho Arduino Uno R3 từ 7-12V qua cổng này Arduino Uno R3

có bô ˜ điều chỉnh điê ˜n áp nguồn cấp 5V và 3.3V cho bô ˜ điều khiển Arduino và

bô ˜ cảm biến

Atmega328P:

Đây là vi điều khiển chính được sử dụng để lâ ˜p trình và chạy tác vụ cho hê ˜thống Đây là bô ˜ não của hê ˜ thống để điều khiển tất cả các thiết bị khác trênmạch

Atmega16U2:

Vi điều khiển này được sử dụng để liên lạc giữa bô ˜ điều khiển chính và cácthiết bị khác Bô ˜ điều khiển này được lâ ˜p trình cho giao tiếp USB và các tínhnăng lâ ˜p trình nối tiếp

ICSP :

ICSP trên Uno được sử dụng cho việc lập trình vi điều khiển thông qua SPI

hoặc các công cụ lập trình ngoại vi

Hình 2.9 ICSP

2.2.4 Ứng dụng thực tế

Robot: Arduino Uno R3 được ứng dụng trong các thiết kế về Robot, cụ thểnhư điều khiển motor, nhận biết và xử lý thông qua cảm biến

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

Hình 2.10 Robot không người lái

Máy CNC mini: Sử dụng cho điêu khắc sử dụng laser hoặc spindle tốc độcao Máy bay không người lái

Hình 2.11 Máy CNC 3 trục XYZ sử dụng Arduino Uno R3

Điều khiển thiết bị thông qua internet (IoT) Nhận biết và xử lý và cảnh

báo các vấn đề nguy hiểm như báo cháy, nồng độ hóa chất, khí ga độc hại, thôngqua cảm biến

Điều khiển thiết bị tắt bật đơn giản, cảm biến âm thanh, ánh sáng

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG

2.3 Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE

2.3.1 Phần mềm Arduino IDE là gì

Arduino ide là một trình soạn thảo giúp bạn có để viết code và nạp vào linhkiện arduino,esp8266,… của mình Arduino ide được viết bằng ngôn ngữ lậptrình Java là ứng dụng đa nền tảng (cross-platform)

Ngôn ngữ code cho các chương trình của arduino là bằng C hoặc C++ Bản thân arduino ide đã được tích hợp một thư viện phầm mềm thường gọi là

"wiring", từ các chương trìn "wiring" gốc sẽ giúp bạn thực hiện thao tác code dễdàng hơn

Một chương trình chạy trong arduino được gọi là một sketch, chương trìnhđược định dạng dưới dạng ino

Hình 2.12 Phần mềm lập trình Arduino IDE

2.3.2 Cổng com của Arduino IDE

Cổng nối tiếp (Serial port) là một cổng thông dụng trong các máy tínhtrong các máy tính truyền thống dùng kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tínhnhư: bàn phím, chuột điều khiển, modem, máy quét…Cổng nối tiếp còn có têngọi khác như: Cổng COM, communication

Ngày nay, do tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn so với các cổng mới ra đờinên các cổng nối tiếp đang dần bị loại bỏ trong các chuẩn máy tính hiện nay,chúng được thay thế bằng các cổng có tốc độ nhanh hơn như: USB, FireWire

2.3.3 Phần mềm Arduino IDE hoạt động như thế nào

Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã File Hex

là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và gửi đến bo mạch bằng cápUSB Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển

sẽ nhận file Hex và chạy theo mã được viết

Đ N VI ĐIỀU KHIỂN GVHD: TS PHẠM DUY DƯỞNG 2.3.4 Lý do lựa chọn sử dụng phần mềm Arduino IDE

2.3.4.1 Phần mềm lập trình mã nguồn mở miễn phí

IDE trong Arduino IDE là phần có nghĩa là mã nguồn mở Nghĩa là phầnmềm này miễn phí cả về phần tải về lẫn phần bản quyền Người dùng có quyềnsửa đổi, cải tiến, phát triển, nâng cấp theo một số nguyên tắc chung được nhàphát hành cho phép mà không cần xin phép ai, điều mà họ không được phép làmđối với các phần mềm nguồn đóng, rất thích hợp trong việc học tập và nghiêncứu của sinh viên về mặt kinh tế

Tuy là phần mềm mã nguồn mở nhưng khả năng bảo mật thông tin củaArduino IDE là vô cùng tuyệt vời, khi phát hiện lỗi nhà phát hành sẽ vá nó vàcập nhật rất nhanh khiến thông tin của người dùng không bị mất hoặc rò rỉ rabên ngoài

Hình 2.13 Arduino IDE – Phần mềm lập trình mã nguồn mở miễn phí

2.3.4.2 Sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ thân thiện với các lập trình viên

Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ rất phổ biến trong giới lậptrình Bất kỳ đoạn code nào của C/C++ thì Arduino IDE đều có thể nhận dạng,giúp các lập trình viên thuận tiện trong việc thiết kế chương trình lập cho các bomạch Arduino

2.3.4.3 Thư viện hỗ trợ phong phú

Arduino IDE tích hợp với hơn 700 thư viện, được viết và chia sẻ bởi nhàphát hành Arduino Software và thành viên trong cộng đồng Arduino Mọi người

có thể tận dụng chúng cho dự án của riêng mình mà không cần phải bỏ ra bất kỳchi phí nào