Đồ án tốt nghiệp ứng dụng vi điều khiển vào hệ thống chiếu sáng, hệ thống báo cháy báo khói trong ngôi nhà thông minh

Yêu cầu điều khiểnĐảm bảo đầy đủ các yếu tố cơ bản nhất mô phỏng một ngôi nhà thông minh thu nhỏ.Có tính khả thi và thực hiện được trong thời gian ngắn.Đảm bảo phát triển theo mục tiêu của đề tài đặt ra: thiết kế hệ thống chiếu sáng và hệ thống báo cháy tự động có hiển thị nhiệt độ trong hệ thống nhà thông minh.Thiết kế và thi công một số cảm biến như: cảm biến chuyển động, cảm biến báo khói, cảm biến nhiệt độ… và các mạch công suất để điều khiển các thiết bị như: đèn chiếu sáng, quạt gió, máy bơm …Hệ thống phải hoạt động 2424.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG VÀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY

TRONG NHÀ THÔNG MINH

3.1 Yêu cầu điều khiển

- Đảm bảo đầy đủ các yếu tố cơ bản nhất mô phỏng một ngôi nhà thôngminh thu nhỏ

- Có tính khả thi và thực hiện được trong thời gian ngắn

- Đảm bảo phát triển theo mục tiêu của đề tài đặt ra: thiết kế hệ thống chiếusáng và hệ thống báo cháy tự động có hiển thị nhiệt độ trong hệ thống nhà thôngminh

- Thiết kế và thi công một số cảm biến như: cảm biến chuyển động, cảm biến

báo khói, cảm biến nhiệt độ… và các mạch công suất để điều khiển các thiết bịnhư: đèn chiếu sáng, quạt gió, máy bơm …

Khi trời tối cảm biến quang sẽ truyền tín hiệu bật hệ thống đèn chiếu sánghành lang

 Yêu cầu kỹ thuật

Thiết bị cần được thiết kế phải gọn nhẹ, dễ lắp đặt, đảm bảo ánh sáng luônluôn vừa đủ, lượng điện tiêu hao vừa phải

Có thể đóng ngắt được khi cần thiết

Cảm biến chuyển động, cảm biến quang hoạt động chính xác

 Các phương pháp và lựa chọn

Đối với hệ thống ánh sáng thường thì có hai kiểu là: ánh sáng thay đổi khiđiện áp thay đổi hoặc điều khiển hệ thống đèn tắt mở khi ánh sáng xung quanhthay đổi Kiểu ánh sáng thay đổi theo điện áp có độ chính xác cao, độ điều chỉnhánh sáng có độ thay đổi là rất nhỏ, mắt người khó phát hiện ra được, và phần lậptrình khá phức tạp Còn với kiểu điều khiển tắt mở đèn khi ánh sáng thay đổi, cáchnày mắt người dễ phát hiện, và phần lập trình đơn giản hơn

Do thời gian có hạn và đây cũng là phương án thông dụng tại nước ta nên

em chọn phương án điều khiển hệ thống bóng đèn tắt mở khi ánh sáng xung quanhthay đổi

 Ưu điểm

Cảm biến khá chính xác

Điều khiển đơn giản hơn khi điều khiển nhiều đèn

Dễ thay đổi điều khiển

Giá thành vừa phải

3.2.2 Hệ thống báo khói, báo cháy có hiển thị nhiệt độ

 Mô tả mô hình

Khi nhà có mức độ khói vượt mức cho phép cảm biến báo khói phát hiện vàtruyền tín hiệu đến mạch chủ, mạch chủ phát tín hiệu đến chuông báo động,chuông báo động kêu thông báo cho chủ nhà

Nhiệt độ được đo bởi cảm biến nhiệt độ và hiển thị trên màn hình LCD Khinhiệt độ vượt mức 35°C cảm biến nhiệt sẽ truyền tín hiệu bật quạt thông gió, khinhiệt độ vượt mức 45°C chuông báo động kêu cảnh báo có cháy đồng thời bật máybơm phun nước dập lửa

 Yêu cầu kỹ thuật

Phải đảm bảo thiết bị nhận biết khói và nhiệt độ chính xác, dễ lắp đặt trongnhà, thiết kế với giá cả phù hợp, thiết bị phải gọn nhẹ, không cồng kềnh, phải đảmbảo an toàn cho ngôi nhà, phát hiện và báo động kịp thời

 Các phương án và lựa chọn

Đối với thiết bị báo cháy, thông thường ta sử dụng hệ thống cảm biến nhiệt

độ, đây là phương pháp phổ thông và thông dụng nhất hiện nay, ngoài ra còn cóphương pháp cảm biến độ bền vật liệu để nhận biết độ an toàn của ngôi nhà, tuynhiên phương pháp này ít được sử dụng tại nước ta

Do đó ta chọn phương pháp cảm biến nhiệt độ của môi trường

 Ưu điểm

Cảm biến báo khói và cảm biến nhiệt khá chính xác

Cách lắp đặt đơn giản nếu chỉ có 1 chức năng cảm biến

- Mỗi giá trị nhiệt độ được biến đổi sang giá trị số với độ phân giải 12bit.

Hình 3.1: Sơ đồ chân của DS18B20

Hình 3.2: Sơ đồ khối của DS18B20

Các thành phần chính trên DS18B20 bao gồm:

- 64-bit lasered ROM,

- Cảm biến nhiệt độ (temperature sensor)

- Các thanh ghi cấu hình

- Bộ cảnh báo quá nhiệt so với nhiệt độ đặt trước trong TH, TL

- Bộ phát mã vòng (CRC)

- Bộ đệm, bộ biến đổi tương tự-số (SCRATCHPAD)

Khi hoạt động, DS18B20 sẽ tự động biến đổi nhiệt độ thu được từ cảm biếnthành giá trị số, truyền về thiết bị chủ bằng giao thức 1-Wire Bảng 3.1 mô tả quan

hệ giữa nhiệt độ thực và giá trị số

+25.0625°C 0000 0001 1001 0001 0191h+10.125°C 0000 0000 1010 0010 00A2h

-0.5°C 1111 1111 1111 1000 FFF8h-10.125°C 1111 1111 0101 1110 FF5Eh-25.0625°C 1111 1110 0110 1111 FF6Fh

1 điện trở pull-up gắn ở phía thiết bị chủ (hình 3.3)

Hình 3.3: Truyền thông giữa các vi mạch bằng giao thức 1-Wire

Tốc độ truyền nhận tiêu chuẩn của 1-wire là 15,4kbps, khoảng cách giữathiết bị chủ và thiết bị tớ xa nhất có thể đạt tới 200m Số lượng thiết bị tớ kết nốitrên bus được khuyến cáo nên nhỏ hơn 20 thiết bị.

Giao thức 1-Wire sử dụng mức logic CMOS/TTL Điện áp hoạt động nằmtrong dải từ 2.8 đến 6V Thiết bị chủ và thiết bị tớ có thể truyền/nhận với nhau, tuynhiên tại một thời điểm chỉ có một trong hai thao tác được thực thi Bit có trọng sốthấp nhất (LSB) được truyền đi trước

Thủ tục truyền/nhận giữa thiết bị chủ và thiết bị tớ bao gồm 3 bước:

Reset, xác nhận có thiết bị được nối trên bus, đồng bộ giữa thiết bị chủ vàthiết bị tớ (hình 3.4)

Hình 3.4: Dạng sóng khi thiết bị chủ thực hiện reset

Để thực hiện thao tác này, từ thiết bị chủ, bus phải được đặt chiều ra và đưa

từ mức cao xuống mức thấp, giữ mức thấp trong khoảng thời gian từ 480 đến640µs Tiếp theo bus sẽ được đặt chiều vào để đọc xung xác nhận của thiết bị tớ.Xung này sẽ xuất hiện trong khoảng thời gian 60 đến 240µs Nếu có thiết bị tớđược kết nối, bus sẽ có trạng thái logic “0”, ngược lại sẽ là “1” Cuối cùng, bus cầnmột khoảng thời gian từ 45 đến 180 µs để “phục hồi” về mức logic “1” trước khithực hiện các thao tác khác

3.3.2 Cảm biến quang (quang trở)

Quang trở là một loại "vật liệu" điện tử rất hay gặp và được sử dụng trongnhững mạch cảm biến ánh sáng Có thể hiểu một cách dễ dàng rằng, quang trở làmột loại điện trở có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng Nếu đặt ở môitrường có ít ánh sáng, có bóng râm hoặc tối thì điện trở của quang trở sẽ tăng caocòn nếu đặt ở ngoài nắng, hoặc nơi có ánh sáng thì điện trở sẽ giảm

Là điện trở có trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh Điện trở tối(khi không được chiếu sáng - ở trong bóng tối) thường trên 1M, trị số này giảmrất nhỏ có thể dưới 100 khi được chiếu sáng mạnh

Hình 3.5: Hình dạng và ký hiệu của cảm biến quang

Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bándẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinhcác điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn.Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệudùng trong chế tạo

Hình 3.6: Tỷ lệ giữa điện trở và tần số ánh sáng chiếu vào

Về phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượngE=h.f để các điện tử nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn điện Như vậy năng lượng cầnthiết “h.f” phải lớn hơn năng lượng của dải cấm

3.4 Quy trình thiết kế mô hình

3.4.1 Hướng thiết kế

Trong đề tài em sử dụng vi điều khiển PIC 18F4520 để điều khiển và lấy dữliệu từ cảm biến nhiệt độ DS18B20, cho hiển thị trên màn hình LCD Cho cảmbiến chuyển động, cảm biến quang nhận biết chuyển động, nhận biết ánh sáng vàđiều khiển bóng đèn tắt mở

3.4.2 Thiết kế phần cứng

3.4.2.1 Mạch nguyên lý

Hình 3.7: Mạch nguyên lý

3.4.2.2 Sơ đồ mạch in

Hình 3.8: Sơ đồ mạch in

3.4.2.3 Chương trình điều khiển

#include "main.h"

#include "DS18B20.c"

#include "1wire.c"

#include "lcd4bit.h"

// -Dinh nghia chan int out -//

#define MQ2 PIN_A0 // khai bao MQ2 la cam bien bao khoi bao khi gas

#define PIR PIN_C1 // cam bien chuyen dong

#define QT PIN_C2 // cam bien quang tro

#define MODE PIN_C3 // nut bam set che do

#define UP PIN_C4 // nut an tang len

#define DOWN PIN_C5 // nut an giam xuong

#define den1 PIN_B0 // khai bao den 1

#define den2 PIN_B1 // khai bao den 2

#define motor PIN_B2 // khai bao motor bom nuoc

#define buzz PIN_B3 // khai bao loa buzz

#define fan PIN_C6 // khai bao quat fan

// - Khai bao bien -//

float temp;

// - chuong trinh doc cam bien nhiet do ds18b20 -//

LCD_Char(" Nha Thong Minh ");

LCD_Cmd(0xC0); // Hien thi o dong thu 2

Printf(LCD_Char,"Nhiet do: %3.1f%cC",temp,0xdf);//xuat gia tri nhiet do ra man hinh

void read_mode(void){

if(input(mode)==0) {

delay_us(50);

if(input(mode)==0) {

while(!input(mode)); {

while(!input(up)); {

nhietdo++;

if(nhietdo>=100) nhietdo=0;

}

}

}

if(input(down)==0) {

delay_us(50);

if(input(down)==0) {

LCD_Init ();

setup_adc_ports(NO_ANALOGS|VSS_VDD);

setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2|ADC_TAD_MUL_0); setup_psp(PSP_DISABLED);

delay_ms(1000);

while(true)

{

read_nhietdo(); read_sw();

}

KẾT LUẬN

Sau 2 tháng tìm tòi nghiên cứu và hoàn thành đồ án, em đã đạt được nhiềukiến thức nhất định về ngôi nhà thông minh Theo yêu cầu đặt ra là thiết kế ngôinhà thông minh với các đặc điểm sau:

 Thiết kế hệ thống cảm biến ánh sáng

 Thiết kế hệ thống báo khói, báo cháy và hiển thị nhiệt độ, có quạt thông gió,máy bơm nước chữa cháy

I Ưu, nhược điểm

Đồ án có những ưu, nhược điểm như sau:

 Ưu điểm

 Mạch lấy dữ liệu nhiệt độ và hiển thị ra chính xác, ổn định

 Tỉ lệ sai số nhỏ

 Độ chia nhỏ (0,5 độ)

 Cảnh báo khi lượng khói vượt mức cho phép và khi nhiệt độ quá cao

 Khi có nhiều khói hoặc nhiệt độ cao quạt thông gió sẽ được bật làm giảmlượng khói, giảm nhiệt độ trong nhà

 Khi có cháy xảy ra máy bơm nước sẽ được bật để dập đám cháy

 Mạch tự động bật đèn khi có người vào nhà, bật đèn ngoài trời khi trời tối

 Nhược điểm

 Thời gian lấy mẫu lâu.

 Mạch điều khiển ít thiết bị

 Không hoạt động khi cúp điện

 Mạch cảm biến nhiệt và báo cháy chưa nhớ được khi nhà bị cúp điện

 Mạch không nhận biết nhiệt độ trong phạm vi rộng được nên cần lắp tạinhiều chỗ

 Cả biến bào khỏi không lắp được ở những nơi quá cao, khi đó sẽ k cảnhbáo kịp thời khi có khói

II Hướng phát triển đề tài

 Đề tài cần tích hợp thêm các hệ thống thông minh khác như: chống trộm,

hệ thống đóng mở cửa tự động… kết hợp với hệ thống điều khiển bằngmodul sim, camera giám sát

 Hệ thống đảm bảo nhiệt độ cần kết hợp với các thiết bị trong nhà để điềuchỉnh nhiệt độ cho phù hợp, cũng như phòng cháy khi không có người trongnhà

 Mạch điều khiển cần tích hợp IC nhớ, nguồn tích trữ khi nhà bị cúp điệnMặc dù đề tài không thể hoàn thành cả những mặt trong hướng phát triểnnhưng cũng hoàn thành hết những yêu cầu nhiệm vụ đã đặt ra Một lần nữa em xin

chân thành cảm ơn cô Bùi Thị Thu Hà đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và đưa ra

hướng đi đúng đắn cho em trong thời gian vừa qua, giúp em hoàn thành tốt nhữngnhiệm vụ đã đặt ra

Trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi những sai sót, em rấtmong được sự góp ý của các thầy, cô và các bạn để có thể xây dựng một ngôi nhàthông minh hoàn chỉnh hơn Ngôi nhà đó sẽ có nhiều tính năng thông minh hơn với

sự điều khiển tối ưu hơn để có thể áp dụng vào thực tiễn cuộc sống hàng ngày củachúng ta

Em xin chân thành cảm ơn!