Xây dựng hệ thống giám sát môi trường trong ô tô

LỜI CẢM ƠN Lời xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS.Vũ Thành Vinh, người thầy dẫn dắt định hướng cho suốt trình tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài tốt nghiệp Đại Học Một lần nữa, xin bày tỏ lòng biết ơn thầy Chúc thầy có sức khỏe tốt có nhiều niềm vui công việc sống.Tôi xin chân thành cảm ơn tới ban giám hiệu thầy, cô giáo Bộ môn Công nghệ Điện tử ô tô hệ thống cảm biến - Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Truyền Thông tạo điều kiện học tập nghiên cứu năm tháng học nhà trường Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè bên động viên góp ý kiến cho hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2016 Sinh viên Trần Thị Lan LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung báo cáo Đồ Án Tốt Nghiệp tông hợp thực Mọi tham khảo đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá xin chịu hình thức kỷ luật nhà trường Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 Người cam đoan (Ký, ghi rõ họ tên) Trần Thị Lan MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan hệ thống cảm biến ô tô 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Mục tiêu đề tài 1.1.3 Giới hạn đề tài 3 1.2 Cơ sở lý thuyết loại cảm biến nghiên cứu đề tài 1.2.1 Cảm biến nhiệt độ 7 1.2.1 Cảm biến độ bụi 21 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG Ô TÔ 25 2.1 Phân tích đề tài 25 2.1.1 Giới thiệu25 2.1.2 Phân tích toán 25 2.1.4 Giải pháp công nghệ 26 2.1.5 Giải pháp thiết kế 26 2.2 Giới thiệu số thiết bị sử dụng hệ thống26 2.2.1 Giới thiệu Arduino Nano 26 2.2.2 Giới thiệu cảm biến nhiệt độ DS18B20 29 2.2.3 Cảm biến độ bụi môi trường sử dụng module GP2 34 2.2.4 Giới thiệu LCD 16x2 36 2.2.5 Giới thiệu module truyền phát NRF24L01 37 2.2.6 Giới thiệu Arduino IDE ngôn ngữ lập trình cho Arduino 2.3 Thiết kế toán 42 2.3.1 Mạch phát 42 40 2.3.2 Mạch thu 45 2.3.3 Kiểm tra đồng bên phát bên thu CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ 47 48 3.1 Hình ảnh hệ thống giám sát môi trường nhiệt độ khoảng 20ºC đến 40ºC, độ bụi mức đến 0,8mg/m³ 48 3.2 Hình ảnh hệ thống giám sát môi trường nhiệt độ khoảng 20ºC 40ºC, độ bụi 0,8mg/m³ 49 TỔNG KẾT VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 53 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu tạo Thermocouples Hình 1.2: Cặp nhiệt điện Hình 1.3: Cấu tạo nhiệt điện trở 11 Hình 1.4: Các loại nhiệt điện trở 11 Hình 1.5:Cảm biến dạng RTD 12 Hình 1.6: NTC thermistor 14 Hình 1.7: PTC thermistor 14 Hình 1.8: Đặc tính 14 Hình 1.9: Ứng dụng NTC thermistor dùng để đo nhiệt đo, điều khiển nhiệt độ, bù nhiệt độ 16 Hình 1.10: Cấu tạo bán dẫn 17 Hình 1.11: Cấu tạo nhiệt kế xạ 19 Hình 1.12: Các loại nhiệt kế hồng ngoại 20 Hình 1.13: Các mức truyền nhiệt kế hồng ngoại 20 Hình 1.14 : Cảm biến dò bụi liên tục AirSafe 23 Hình 1.15: Cấu tạo cảm biến dò bụi liên tục 23 Hình 1.16: Sự dịch chuyển hạt bụi ống dẫn dòng khí 24 Hình 2.1: Arduino nano 26 Hình 2.2: Sơ đồ chân Arduino nano 27 Hình 2.3: Cảm biến DS18B20 29 Hình 2.4: Sơ đồ chân cảm biến DS18B2030 Hình 2.5: Cảm biến GP2 35 Hình 2.6: Nguyên lý phát bụi 35 Hình 2.7: Hình ảnh sơ đồ chân LCD 16x2 36 Hình 2.8: Module NRF24L01 38 Hình 2.9: Sơ đồ chân module NRF24L01 39 Hình 2.10: Giao diện phần mềm Arduino IDE 41 Hình 2.11: Hình ảnh thực tế kết nhiệt độ, độ bụi bên phát 44 Hình 2.12 : Hình ảnh thực tế kết nhiệt độ nhận bên thu 46 Hình 2.13: Hình ảnh nhiệt độ, độ bụi bên phát bên thu 47 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT RTD Resistance Temperature Detectors Thermistors Thermally sensitive resistor NTC Negative Temperature Coefficent PTC Positive Temperature Coefficent LỜI MỞ ĐẦU  Đặt vấn đề Hiện giao thông nước ta giữ vai trò quan trọng phát triển kinh tế đời sống xã hội, mà ô tô phương tiện phổ biến Trong năm gần đây, ngành vận tải ô tô phát triển với tốc độ cao, nhiều kiểu dáng mẫu mã hợp thị hiếu khách hàng Ở Việt Nam, xe bắt đầu sử dụng rộng rãi Tuy nhiên nhu cầu lại người chưa thỏa mãn Do hãng sản xuất xe không ngừng cải tiến, ứng dụng đưa thành tựu khoa học kỹ thuật, ngành thiết kế chế tạo ô tô nhằm làm tăng công suất, tốc độ giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm độ độc hại khí thải Những cải tiến nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao người quy định khắt khe ô nhiễm môi trường Với tốc độ phát triển giao thông việc hệ thống tự động kiểm soát điều chỉnh tình trạng làm việc động thêm vào để giúp cho xe hoạt động ổn định, tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ môi trường tốt Để củng cố mở rộng thêm kiến thức chuyên môn, em định chọn nghiên cứu đề tài : “Xây dựng hệ thống giám sát môi trường ô tô”  Mục đích đề tài  Nghiên cứu môi trường ô tô điều kiều kiện khác Từ xây dựng hệ thống cảnh báo tương ứng với điều kiện nhiệt độ, độ bụi  Nhiệm vụ đề tài - Nghiên cứu tổng quan hệ thống cảm biến ứng dụng giám sát môi trường ô tô - Nghiên cứu thực trạng môi trường ô tô - Thiết kế, xây dựng phần cứng ứng dụng phần cứng phần mềm Arduino để giám sát môi trường ô tô - Thực nghiệm để đánh giá kết đề tài nghiên cứu  Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài  Hệ thống giám sát môi trường ô tô  Thiết kế xây dựng phần cứng để ứng dụng ô tô  Mạch cứng dựa tảng Arduino  Phương pháp nghiên cứu - Đọc nghiên cứu tài liệu có liên quan đến đề tài - Truy cập diễn đàn để củng cố kiến thức làm đề tài - Sử dụng phần mềm Arduino Nano để tính toán, tự động giám sát môi trường ô tô - Xây dựng phần cứng để quan sát, ghi nhận kết phân tích, tổng hợp, xử lý kết thực nghiệm - Thảo luận, rút kinh nghiệm với giáo viên hướng dẫn bạn bè  Thời gian nghiên cứu Từ ngày 21 tháng 03 năm 2016 đến ngày 12 tháng 06 năm 2016  Kết nghiên cứu  01 sản phẩm phần cứng  01 báo cáo  Nội dung đề tài  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG Ô TÔ  CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG Ô TÔ  CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG Ô TÔ  Tổng quan hệ thống cảm biến ô tô  Giới thiệu chung  Lợi ích việc sử dụng cảm biến xe ô tô : Cảm biến xe có nhiệm vụ thu thập tín hiệu cần thiết giúp điều khiển trung tâm (ECU) điều khiển động hệ thống khác làm việc hiệu Như hệ thống cảm biến xe ô tô công cụ đắc lực giúp xe hoạt động ổn định, an toàn tiết kiệm Việc thu thập thông số kỹ thuật hệ thống cảm biến diễn liên tục xe vận hành Cùng với tín hiệu thu thập liên tiếp gửi ECU để phân tích xử lý Khi xảy cố, lỗi liên quan ghi lại thông báo tới lái xe qua hệ thống đèn cảnh báo Nhờ đó, người lái xe kiểm soát bất thường xe vận hành Ngày nay, cảm biến thiết bị sử dụng phổ biến tất thiết bị, từ đồ dùng gia đình thiết bị tiên tiến có ngành ô tô Cảm biến thiết bị chịu tác động đại lượng cần đo thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành tín hiệu điện Vì nghiên cứu cảm biến để ứng dụng cách hiệu vấn đề quan tâm đặc biệt 10 2.3.2.4 Mạch in 2.3.3 Kiểm tra đồng bên phát bên thu Tín hiệu từ cảm biến (DS18B20 + GP2) bên phát đồng với tín hiệu bên thu 75 Hình 2.13: Hình ảnh nhiệt độ, độ bụi bên phát bên thu 76 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ 3.1 Hình ảnh hệ thống giám sát môi trường nhiệt độ khoảng 20ºC đến 40ºC, độ bụi mức đến 0,8mg/m³ - Nhiệt độ độ bụi hiển thị LCD 77 3.2 Hình ảnh hệ thống giám sát môi trường nhiệt độ khoảng 20ºC 40ºC, độ bụi 0,8mg/m³ - Nhiệt độ độ bụi vượt ngưỡng hoạt động hiển thị LCd báo qua loa + Nhiệt độ báo tít tít tít + Độ bụi báo títtít títtít títtít + Cả kêu tít liên tục 78 79 TỔNG KẾT VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 1.Những điều đề tài làm Như vậy, với đề tài đồ án: XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG Ô TÔ Đề tài đạt vấn đề sau:  Đã giới thiệu sơ lược phần cứng cách chi tiết dễ hiểu  Đã giới thiệu phần mềm cần thiết thuận tiện cho việc lập trình, đồng thời câu lệnh hàm quan trọng liên quan  Có thể đo hiển thị nhiệt độ, độ bụi tương đối xác, tiết kiệm số chân VDK sử dụng cảm biến one wire  Có thể truyền phát thiết bị thu nhận 80  Đo nhiệt độ thang Celsius (ºC)  Hiển thị nhiệt độ, độ bụi LCD cảnh báo qua loa Những điều khó khăn gặp phải làm đề tài Trong trình thực hiện, lập trình cho mạch đo nhiệt độ, độ bụi gặp phải nhiều khó khăn khác như: phải nghiên cứu nhiều tài liệu nước ngoài, datasheets, dẫn đến nhiều chỗ dịch sai, dịch nhầm dẫn đến áp dụng hàm, câu lệnh bị sai ý nghĩa, cấu trúc, trình viết code gặp phải nhiều lỗi phát sinh mà không tìm nguyên nhân cần đầu tư thời gian để giải quyết, nhiều linh kiện khó để tìm thư viện để lập trình Quá trình lắp mạch gặp phải khó khăn định, nhiên em cố gắng giải vấn đề phát sinh để hoàn thành đề tài Em hoàn thành thiết kế lập trình lắp đặt mạch đo nhiệt độ, độ bụi sử dụng Arduino không truyền phát vòng tuần kể từ nhận đề tài sau nghiên cứu tuần để thực chức truyền phát tín hiệu nhiệt độ board Arduino, tuần em xây dựng giao diện giám sát độ bụi, tuần em hoàn thành hệ thống giám sát nhiệt độ, độ bụi ô tô hiển thị lên LCD cảnh báo qua loa Do lần làm đề tài đồ án, cộng với kiến thức nhiều hạn chế, em tự thấy đề tài thực nhiều sai sót, khiếm khuyết Em mong ủng hộ giúp đỡ thầy giáo để đề tài em thực hoàn thiện có thêm nhiều cải tiến đáng kể ứng dụng tốt vào thực tiễn Hướng phát triển  Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển thiết bị không dây thông qua module NRF24L01 kết hợp với giao diện xây dựng Windown 81 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Massimo Banzi, Getting Started with Arduino, O’Reilly Media, Inc,2009 [2] Michael Margollis and Nicholas Weldin, Arduino Cookbook, O’Reilly Media, Inc, 2011 [3] http://arduino.cc/ [4] http://codientu.org/ [5] http://viettronics.edu.vn/ [6].https://www.youtube.com/playlist?list=PLdyQhP9aC9btGcLvYFV8XdtalEVL4zG0 [7].http://www.musicjinni.com/SG8k1SdEMQG/h-ng-d-n-s-d-ng-c-m-bi-n-nhi-tlm35-c-ng-v-i-arduino-www-codientuvina-com.html 83 84 PHỤ LỤC Chương trình bên phát: #include #include #include #include #include #define ONE_WIRE_BUS #include #include #include float temperature[2]; //int pin = A0; int measurePin = 6; int ledPower = 3; int samplingTime = 280; int deltaTime = 40; int sleepTime = 9680; float voMeasured = 0; float calcVoltage = 0; float dustDensity = 0; LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); DallasTemperature sensors(&oneWire); RF24 radio(9, 10); const uint64_t pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; void setup(void) { 85 radio.begin(); radio.openWritingPipe(pipe); lcd.begin(16, 2); lcd.backlight(); lcd.clear(); lcd.print(" Temp & Dust "); delay(1000); //lcd.clear(); lcd.print("Starting "); delay(100); pinMode(ledPower,OUTPUT); sensors.begin(); } void loop(void) { digitalWrite(ledPower,LOW); // power on the LED delayMicroseconds(samplingTime); voMeasured = analogRead(measurePin); // read the dust value delayMicroseconds(deltaTime); digitalWrite(ledPower,HIGH); // turn the LED off delayMicroseconds(sleepTime); calcVoltage = ((voMeasured * 5)/ 1023)*1.6; if (calcVoltage=3.5&&calcVoltage=3.6)dustDensity=0.8; sensors.requestTemperatures(); 86 temperature[0] = sensors.getTempCByIndex(0); temperature[1] = dustDensity; radio.write(temperature, sizeof(temperature)); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Temp : "); lcd.print(temperature[0]); lcd.write(223); lcd.print("C "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Dust : "); lcd.print(temperature[1]); lcd.print("mg/m3"); delay(500); } Chương trình bên thu: #include #include #include #include #include #include #define Speaker LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); // Addr, En, Rw, Rs, d4, d5, d6, d7, backlighpin, polarity float temperature[2]; int dem; RF24 radio(9, 10); const uint64_t pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; 87 void setup(void) { digitalWrite(Speaker,HIGH); pinMode(Speaker, OUTPUT); Serial.begin(9600); radio.begin(); radio.openReadingPipe(1, pipe); radio.startListening(); lcd.begin(16, 2); lcd.backlight(); lcd.clear(); lcd.print(" Temp & Dust "); delay(500); //lcd.clear(); lcd.print("Starting "); delay(100); } void loop(void) { if ( radio.available() ) { bool done = false; while (!done) { radio.read(temperature, sizeof(temperature)); delay(1000); dem++; if((temperature[1]>0.3)&&(dem>2)&&(temperature[0]0.3)&&(dem[...]... thông số của mô hình mạch thay thế  Cảm biến tích cực: đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng  Cảm biến thụ động: đặc trưng bởi các thông số R,C,L tuyến tính hay phi tuyến tính  Phân loại theo phương pháp đo  Cảm biến biến đổi trực tiếp  Cảm biến kiểu bù 1.1.1.3 Yêu cầu Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến được ứng dụng trong hệ thống giám sát môi trường trong ô tô. .. động của các cảm biến  Ứng dụng của các cảm biến trong giám sát môi trường trong ô tô  Kết luận – đề xuất 13  Giới hạn đề tài Cảm biến ngày càng sử dụng rộng rãi trên ô tô và trở thành thiết yếu để có thể đáp ứn những yêu cầu ngày càng khắt khe về việc sử dụng nguồn nhiên liệu ngày một khan hiếm có hiệu quả hơn cũng như yêu cầu về bảo vệ môi trường Cảm biến được phân chia thành rất nhiều loại,... dùng để chỉ những hạt dạng lỏng hoặc rắn rất nhỏ trôi nổi trong không khí Các hạt này có thể do nhiều chất khác nhau tạo nên, như cacbon, sulfua, khí nitơ, và các hợp chất kim loại, v.v Đối với các nhà khoa học môi trường, các hạt trôi nổi này nhằm chỉ những chất ô nhiễm rất nhỏ trong không khí, một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra ô nhiễm không khí Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, những... các hạt trôi nổi trong một mét khối không khí Chỉ số này càng cao cũng có nghĩa là sự ô nhiễm không khí ở nơi đó càng nghiêm trọng Chỉ số PM2.5 là mật độ số hạt PM2.5 có trong 1 mét khối không khí, mức tiêu chuẩn và an toàn là 10, tức là 10 hạt trong 1 mét khối không khí, chỉ số này càng lên cao thì mức độ ô nhiễm không khí càng nguy hiểm Mới đây, các nhà khoa học của NASA (Cơ quan Hàng Không Vũ trụ... Mô hình hệ thống cảm biến trên ô tô: Các tín hiệu đầu vào (các cảm biến) Bộ vi xử lý Các bộ chấp hành (đầu ra) CAN Sơ đồ hệ thống các cảm biến 1.1.1.1 Công dụng cảm biến 11 Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử ký được Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất... chỉnh riêng lẻ hay không - Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường  Cảm biến độ bụi 1.2.2.1 Tổng quan PM trong PM2.5 hay PM10 là viết tắt của Particulate matter, có nghĩa 34 là chất dạng hạt PM2.5 hay PM10 là những chỉ số về chất lượng không khí, chỉ kích thước và mật độ những hạt trôi nổi trong không khí Bụi PM2.5 là các hạt bụi lơ lửng có đường... NASA (Cơ quan Hàng Không Vũ trụ Mỹ) đã cho công bố một bản đồ chất lượng không khí toàn cầu, cho chúng ta thấy tình trạng phân bố những khu vực có các hạt trôi nổi có kích thước nhỏ hơn 2,5 micromet.Mật độ hạt này được coi là một chỉ tiêu quan trọng về mức độ ô nhiễm không khí Từ đó, người ta đã chế tạo ra cảm biến độ bụi để phát hiện mức độ bụi trong môi trường với tiêu chí: 35 -Ngăn ngừa sự tạo ra... thời ta cũng rút ra 1 nguyên tắc khi sử dụng cảm biến nhiệt đó là: “Phải luôn đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa môi trường cần đo với phần tử cảm biến” Xét về cấu tạo chung thì cảm biến nhiệt có nhiều dạng Tuy nhiên, cảm biến được ưa chuộng nhất trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp thường được đặt trong khung làm bằng thép không gỉ được nối với một bộ phận định vị, có các đầu nối cảm biến với các... thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chỗ này Để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó (offset trên bộ điều khiển) Lưu ý khi sử dụng: Từ những yếu trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây (vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng, không để cọng dây này dính vào môi trường. .. máy sấy tóc,  Trong điện tử công nghiệp: các bộ ổn định nhiệt độ, các bộ bù nhiệt độ,  Trong viễn thông: dùng để đo và bù nhiệt độ cho điện thoại di động  Cảm biến mức chất lỏng  Dựa vào sự khác nhau của hằng số tiêu tán nhiệt độ trong nước và 25 không khí hoặc hơi, 26 Hình 1.9: Ứng dụng của NTC thermistor dùng để đo nhiệt đo, điều khiển nhiệt độ, bù nhiệt độ +PTC  PTC công suất:  Làm ... QUAN VỀ HỆ CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG Ô TÔ  CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG Ô TÔ  CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG... vệ môi trường tốt Để củng cố mở rộng thêm kiến thức chuyên môn, em định chọn nghiên cứu đề tài : Xây dựng hệ thống giám sát môi trường ô tô  Mục đích đề tài  Nghiên cứu môi trường ô tô điều... thuyết mô hoạt động số cảm biến ứng dụng hệ thống giám sát môi trường ô tô  Mục tiêu đề tài  Phân tích sở lý thuyết nguyên lý hoạt động cảm biến  Ứng dụng cảm biến giám sát môi trường ô tô 