THIẾT kế, CHẾ tạo bộ điều KHIỂN CẢNH báo AN NINH, sử DỤNG cảm BIẾN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2021 Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1.1 Các ứng dụng điều khiển cảnh báo an ninh……………………………… 1.2 Đặc điểm cảm biến chuyển động cảnh báo an ninh………………… 1.3 Yêu cầu cảnh báo an ninh……………………………………………… CHƯƠNG II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CẢNH BÁO AN NINH 2.1 Yêu cầu công nghệ……………………………………………………………… 2.2 Sơ đồ khối……………………………………………………………………… 2.3 Mạch nguyên lý………………………………………………………………… 10 2.3.1 Khối nguồn………………………………………………………………… 10 2.3.2 Khối cảm biến…………………………………………………… ………… 12 2.3.3 Khối so sánh…………………………………………………………….………13 2.3.4 Khối xử lí…………………………………………………………………… 14 2.3.5 Khối tín hiệu………………………………………………………………… 15 2.3.6.Sơ đồ nguyên lý toàn mạch………………………………………………… 16 2.4 Nguyên lý làm việc…………………………………………………………… 16 2.5 Tính chọn linh kiện……………………………………………………………… 17 2.5.1 Tính chọn linh kiện cho khối nguồn………………………………………… 17 2.5.2 Tính chọn linh kiện cho khối cảm biến……………………………………… 22 2.5.3 Tính chọn linh kiện cho khối so sánh………………………………………… 23 2.5.4 Tính chọn linh kiện cho khối xử lý……………………………………… … 26 2.5.5 Tính chọn linh kiện cho khối tín hiệu………………………………………… 30 CHƯƠNG III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận………………………………………………………………………… 31 3.2 Kiến nghị (Cần cải tiến)………………………………………………………… 32 LỜI NÓI ĐẦU Trong xu hướng phát triển không ngừng công nghệ thập kỉ qua, công nghệ điện tử ngày phát triển vượt bậc Đời sống xã hội ngày thay đổi, bên cạnh tiến vấn đề nảy sinh nhiều, đặc biệt quy mô hoạt động tổ chức mở rộng Trong nhiều trường hợp, việc quản lý trở nên vơ khó khăn số lượng đối tượng quản lý lớn, làm cho hoạt động bị đình trệ, nhiêu thời gian mà lại không hiệu Do đó, hệ thống bảo vệ tự động giúp cho người dễ dàng việc giám sát, đảm bảo tính cơng bằng, đặc biệt tiến hoạt động xã hội Bằng ý tưởng có tính ứng dụng cao ngồi thực tế, với đề tài “Thiết kế điều khiển cảnh báo an ninh sử dụng cảm biến phát chuyển động” Hệ thống có khả tự động cảnh báo cịi báo động bóng đèn có trộm Đây hệ thống ứng dụng nhà kho, hộ gia đình, chung cư, xưởng sản xuất,… Nó cịn cảnh báo cho nơi cần bảo mật với mức độ bảo mật cao, tòa nhà, viện bảo tàng, nơi mà cần hệ thống bảo mật tốt ngày Ngoài ra, hệ thống giải pháp tốt cho thiết bị bảo mật công ty, bệnh viện, quan hành chính, quan Thuế & Hải quan, công ty Bảo hiểm, Ngân hàng chứng khoán, Trung tâm dịch vụ, nhà ga-bến xe Dưới kiếm sốt hệ thống này, q trình bảo mật trở nên tốt hiệu CHƯƠNG I: CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1.1 Các ứng dụng điều khiển cảnh báo an ninh Ngày nay, người với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến giới, ngày thay đổi, văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu ngày cao Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đáp ứng đòi hỏi không ngừng ngành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống hàng ngày Vì vậy, Bộ cảnh báo an ninh giải pháp cho cảm thấy an tâm xa du lịch đề phòng khỏi mối nguy hại cho sống • Ứng dụng bật cảm biến chuyển động: - Phát người, động vật chuyển động phạm vi cảm biến, nhờ thân - nhiệt phát từ người, động vật, Dùng cảnh báo an ninh chống trộm còi báo động, dùng để bật - đèn tự động hành lang, phòng ngủ, nhà vệ sinh, nhà, Dùng để chống trộm doanh nghiệp, lán xe, nhà kho, Bật tắt đèn tự động đóng, mở cửa tủ quần áo Hình 1.1 a, Ứng dụng chống trộm Hình 1.1 b, Ứng dụng bật đèn tư động 1.2 Đặc điểm điều khiển cảnh báo an ninh sử dụng cảm biến chuyển động Thiết kế chế tạo mô điều khiển cảnh báo an ninh cho trang trại nhà, viện bảo tàng, vườn lan, với diện tích: khoảng 100 m2 *Khái niệm: Cảm biến chuyển động thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái chuyển động thơng qua q trình vật lý, hóa học hay sinh học mơi trường cần khảo sát, biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thơng tin trạng thái hay q trình *Những loại cảm biến chuyển động sử dụng mạch cảnh báo an ninh - Cảm biến nhiệt độ - Cảm biến quang - Cảm biến laser - Cảm biến từ - Cảm biến hồng ngoại *Nguyên lý hoạt động của cảm biến chuyển động Cảm biến chuyển động hoạt động mức nhận tín hiệu chuyển động từ bên ngồi mơi trường Sau tín hiệu phát từ cảm biến tín hiệu qua mach khuếch khuếch đại điện áp lên, sau tín hiệu sau khuếch đại qua mạch so sánh nhằm so sánh điện áp để điều chỉnh relay đóng – ngắt điều khiển tín hiệu phát động khối tín hiệu đầu Bộ cảnh báo an ninh hoạt động dựa nguyên lý hoạt động cảm biến chuyển động, nhờ mà phát mối đe dọa nguy hiểm Thiết kế, chế tạo cảnh báo an ninh sử dụng cảm biến chuyển động kết hợp với số mạch như: mạch so sánh xuất kết qua số thiết bị báo động bóng đèn, cịi báo động • Sử dụng nguồn cấp 220V AC cho tồn mạch • Cảm biến chuyển động : phát chuyển động vùng bảo vệ • Mạch sử dụng cảm biến chuyển động phát chuyển động, IC so sánh LM358, relay điều khiển tín hiệu đầu ra, bóng đèn cịi báo động báo tín hiệu • Mạch so sánh điện áp: sử dụng IC LM358 • Relay xử lí tín hiệu vào điều khiển tín hiệu đầu • Nhận lệnh từ khối điều khiển, khối tín hiệu đầu ra: Bóng đèn, còi báo động chuyển từ mức lên mức 1.3 Yêu cầu cảnh báo an ninh - Bộ cảnh báo hoạt động tốt - Yêu cầu công nghệ đáp ứng nhu cầu phù hợp để sử dụng - Phạm vi hoạt động bao quát hết khu vực cần bảo vệ - Cảm biến chuyển động sử dụng mạch phải đáp ứng nhu cầu sử dụng - Đảm bảo khối đầu ra: còi báo động bóng đèn hoạt động tốt - Đảm bảo an toàn đấu nối CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CẢNH BÁO AN NINH 2.1 Yêu cầu công nghệ - Thiết kế, chế tạo cảnh báo an ninh bao quát tổng thể khu vực, phạm vi cần bảo vệ - Cảm biến chuyển động phát chuyển động vùng quét cảm biến - Bộ cảnh báo có khả phát chuyển động có người lọt vào vùng quét nhờ sử dụng cảm biến chuyển động - Cảm biến chuyển động có tính phát tia hồng ngoại vật thể người lọt vào vùng quét cảm biến - Tín hiệu báo động cảnh báo sử dụng đèn cịi báo động với nguồn ni 220VAC - Bộ cảnh báo an ninh hoạt động tốt ban ngày ban đêm - Phạm vi hoạt động (thực tế) : 100 m2 - Tính chống nước: IP65 – IP67 2.2 Sơ đồ khối NGUỒN 220VAC KHỐI NGUỒN 220VAC KHỐI CẢM BIẾN KHỐI XỬ LI KHỐI SO SÁNH KHỐI TIN HIỆU Hình 2.1 Sơ đồ khối Chức khối sơ đồ: - Nguồn 220VAC: Cung cấp điện áp đồng thời làm nguồn nuôi cho mạch nguồn - 5VDC khối tín hiệu Khối nguồn 5VDC -1A: Cung cấp điện áp làm nguồn nuôi cho khối cảm biến - Khối xử lý Khối cảm biến: Phát chuyển động từ vật thể có mối đe dọa lọt vào vùng - cảm biến Khối so sánh: Khuếch đại tín hiệu đầu vào đồng thơi so sánh giá trị điện áp Khối xử lý: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý cho phép đóng mở tín hiệu đầu - Khối tín hiệu: Khi khơng có tín hiệu tác động khối tín hiệu mức 0, có tín hiệu tác động vào khối tín hiệu lên mức thơng qua khối xử lý 2.3 Mạch nguyên ly 2.3.1 Khối nguồn Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch nguồn chiều Nguồn ta dùng có tính ổn định cao để mạch hoạt động xác ta dùng nguồn khơng ổn định pin, hết pin mạch bị gián đoạn lúc hoạt động Muốn có nguồn 5VDC ta dùng máy biến áp, chỉnh lưu cầu IC ổn áp 7805 để đưa điện áp 5VDC a) Khối hạ áp Ở biến đổi điện áp 220V AC-50Hz xuống 12V AC-450mA Mục đích cấp đầy đủ cho biến đổi lọc để có điện áp chiều mong muốn b) Khối chỉnh lưu Thành phần chỉnh lưu biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều thông qua Diode chỉnh lưu Đây sơ đồ chỉnh lưu cầu với dạng sóng đầu vào đầu sau chỉnh lưu sau: Hình 2.3 Điện áp sau chỉnh lưu c) Khối lọc - Có tác dụng san điện áp chiều nhấp nhơ - Tụ điện có điện dung lớn điện áp đầu phẳng Hình 2.4 Điện áp sau lọc tụ điện d) Khối ổn áp - Dòng họ 78xx cho nhiều loại ổn áp khác VD 7805 cho điện áp ổn định 5VDC - Điện áp vào 78xx điện áp chiều C = 10.100 = 1000 µF Với giá trị ta chọn tụ hóa là: 1000µF Tụ hóa đầu sau ổn áp ta chọn 100 µF Tụ hoạt động Umax = 25vdc Có chân dương âm tụ phân cực (tụ hóa) - Chọn Led đơn: Hình 2.14 Led đơn Thông số chung LED đơn 5mm: - Điện áp hoạt động mức: 1,8V - 3V; 19 - Dòng điện: 10mA - 20mA; - Loại LED: LED đục, LED siêu sáng; - Màu LED: xanh lá, xanh lam, đỏ, vàng, trắng đục, trắng siêu sáng Hình 2.15.Thơng sớ điện áp Led Do có sẵn linh kiện nên ta chọn led có U=1,9V-3.0V, I=20mA - Tính chọn điện trở: Hình 2.16 Điện trở - Điện trở linh kiện thụ động có tác dụng cản trở dòng áp Điện trở sử dụng nhiều mạch điện tử Điện trở dây dẫn có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn 20 Cơng thức tính: R = = = 100 (Ω) Trong đó: Unguồn : nguồn ni đầu vào U1led : điện áp hoạt động Led đơn n : số led dùng mạch i: dòng điện Led Do điều kiện thực tế, ta thấy chọn điện trở từ 100 Ω - 220 Ω Để bảo vệ điện áp rơi trở sau vào tải tốt ta chọn trở có giá trị 220 Ω 2.5.2 Tính chọn linh kiện cho khối cảm biến Đối với cảnh báo an ninh, ta nên dùng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK gồm có chân VCC (5VDC) GND (0V) dùng để làm chân cấp nguồn cho cảm biến, chân OUT cho mức logic dùng để phát đối tượng Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK với độ bền độ ổn định cao, cảm biến sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến, cảm biến phát tia hống ngoại với dải tần số chuyên biệt cho khả chống nhiễu tốt kể điều khiện ánh sáng trời Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK chỉnh khoảng cách mong muốn thông qua biến trở cảm biến, cảm biến có ngõ cấu trúc Transistor NPN nối điện trở nội 10k lên VCC nên sử dụng mà khơng cần trở kéo lên VCC * Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 5V DC - Dòng điện: 20mA - Khoảng cách: - 80cm - Kết nối dây: + Nâu: 5V DC 21 + Xanh dương: GND / 0V + Đen: Tín hiệu NPN thường hở ( Tín hiệu với điện áp cấp cho cảm biến) - Nhiệt độ: -25°C ~ +55°C - Chiều dài dây: 1m - Có thể điều chỉnh khoảng cách biến trở - kích thước: 17 * 45 mm Hình 2.17 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK 2.5.3 Tính chọn linh kiện cho khối so sánh - Đối với khối so sánh , ta chọn IC LM358 để so sánh điện áp đầu vào từ cảm biến với điện áp tham chiếu đặt từ trước - Nguyên tắc hoạt động chung mạch V- :Điện áp đầu vào âm, điều chỉnh triết áp V + :Điện áp đầu vào dương Vout :điện áp đầu Khi: V- > V+ => Vout = V - < V+ => Vout =  Sơ đồ chân, cấu tạo thông số IC LM358 * Sơ đồ chân, cấu tạo 22 Hình 2.18 Sơ đồ chân, cấu tạo IC LM358 Chân 1: Output OA1 Chân 2: Đầu vào âm OA1 Chân 3:Đầu dương OA1 Chân 4: GND Chân 5: Đầu dương OA2 Chân 6: Đầu vào âm OA2 Chân 7: Đầu OA2 Chân 8: Dương nguồn IC LM358 : khuếch đại thuật tốn kép cơng suất thấp, khuếch đại có ưu điểm so với khuếch đại thuật toán chuẩn ứng dụng dùng nguồn đơn *Thông số IC LM358 - Sử dụng nguồn đơn từ 3-32V - Có thể dử dụng nguồn đơi từ 2-15V - Độ lợi khuếch đại dải K=0 tơi 100db - Điện áp ngõ dải từ tới 1,5 IC LM358 hoạt động nguồn điện áp thấp 3V cao lên tới 32V LM358 có cơng suất cực máng thấp, nhiên có độ lợi cao 100dB Cấu tạo bên IC LM358 gồm khuếch đại thuật tốn, tương thích với nhiều loại mạch logic khác - Chọn điện áp tham chiếu: + Ở ta chọn biến trở để làm điện áp tham chiếu so sánh với điện áp đầu vào V in từ cảm biến + Biến trở sử dụng cho ứng dụng thương mại thường có phần tử điện trở làm carbon gốm kim loại (kết hợp gốm kim loại), dây điện trở quấn trục gá cách điện Các ưu điểm chiết áp vặn dây có hệ số độ thấp , tiêu tán cơng suất cao hơn, tiếng ồn thấp hơn, khả chịu điện trở chặt hơn, 23 sử dụng biến trở, khả mang dòng điện tuyệt vời qua cần gạt nước điện trở tiếp xúc thấp hơn.nhiệt Hình 2.19.Chiết áp (điện áp tham chiếu) - Tính chọn transistor: Hình 2.20 Transistor C1815 transistor BJT gồm ba miền tạo hai lớp tiếp giáp pn, miền bán dẫn loại p miền có mật độ tạp chất cao nhất, kí hiệu n+ miền phát (emitter) Miền có mật độ tạp chất thấp hơn, kí hiệu n, gọi miền thu (collecter) Miền có mật độ tạp chất thấp, kí hiệu p, gọi miền gốc (base) Ba chân kim loại gắn với miền tương ứng với cực emitter(E), base(B), collecter(C) transistor Transistor C1815 transistor thuộc loại transistor NPN 24 C1815 có Uc cực đại = 50V dòng Ic cực đại = 150mA Ứng dụng Transitor C1815 : Điều khiển tần số âm chung cho mạch ứng dụng khuếch đại Kích điện áp , Đóng mở cơng tắc điện tử Kiểu chân kích thước Transitor C1815 : C1815 có kiểu chân T092 có nghĩa kiểu chân cắm C1815 la dịng transistor ngược NPN Thông số kỹ thuật Transitor C1815 : Điện áp cực đại : 50V Dòng cực đại : 150mA Hệ số khuếch đại ~ 25-100 Khối lượng : 0.21 g Giải thích :Transitor C1815 hoạt động phụ thuộc vào dòng vào từ chân B Khi chân B có dịng vào lớp bán dẫn mở khiến xuất dòng CE chạy qua IC led sáng Nếu chân B khơng có dịng lớp bán dẫn khơng mở khơng có dịng qua CE led khơng sáng Dịng qua B tính theo cơng thức : IC = β.IB : IC dòng chạy qua mối CE IB dòng chạy qua mối BE β hệ số khuyếch đại Transistor 2.5.4 Tính chọn linh kiện cho khối xử ly - Tính chọn relay điều khiển tín hiệu đầu sau so sánh điện áp : Khối xử lí ta dùng relay 5v, relay đóng có tác động khối đầu vào thông qua cảm biến Relay chân SRD 5VDC loại linh kiện đóng ngắt điện đơn giản Nó gồm phần cuộn hút tiếp điểm Thông số kĩ thuật: Đầu vào: - Điện áp ni : 5VDC - Tín hiệu vào điều khiển: 0V + Tín hiệu 1: Relay đóng + Tín hiệu 0: Relay mở Đầu ra: 25 - Tiếp điểm relay 220V 10A ( tiếp điểm, điện áp ra) - NC : Thường đóng - NO: Thường mở - COM: Chân chung Hình 2.21 Relay 5VDC - Nhìn chung, cơng dụng relay “dùng lượng nhỏ để đóng cắt nguồn lượng lớn hơn” - Relay dùng thông dụng ứng dụng điều khiển động chiếu sáng - Khi cần đóng cắt nguồn lượng lớn, relay thường ghép nối tiếp Nghĩa relay nhỏ điều khiển relay lớn hơn, relay lớn điều khiển nguồn công suất - Tính chọn Contacter điều khiển khối đầu ra: Khởi động từ hay gọi Contactor Khởi động từ(KĐT) loại khí cụ điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng–ngắt, đảo chiều bảo vệ tải Khởi động từ có Contactor (CTT) gọi khởi động từ đơn thường để đóng- ngắt động điện Để bảo vệ tải tải có dịng cơng suất tiêu thụ lớn ta nên sử dụng Contacer Ở đây, yêu cầu đề linh kiện chọn trên, ta thấy Contacter MEC GMC – 22 đáp ứng yêu cầu công nghệ mạch *Thông số kỹ thuật: -Điện áp sử dụng: 220VAC, f = 50-60 Hz -Dòng điện định mức: 22A 26 -Tiếp điểm: 1N0 + 1NC -Số cực: cực Hình 2.22 Contacter MEC GMC - 22 - Chọn Led đơn: Hình 2.23 Led đơn Thông số chung LED đơn 5mm: 27 - Điện áp hoạt động mức: 1,8V - 3V; - Dòng điện: 10mA - 20mA; - Loại LED: LED đục, LED siêu sáng; - Màu LED: xanh lá, xanh lam, đỏ, vàng, trắng đục, trắng siêu sáng Hình 2.24 Thông số điện áp Led Do có sẵn linh kiện nên ta chọn led có U=1,9V-3.0V, I=20mA - Tính chọn điện trở: Hình 2.25 Điện trở - Điện trở linh kiện thụ động có tác dụng cản trở dịng áp Điện trở sử dụng nhiều mạch điện tử Điện trở dây dẫn có trị số điện trở lớn 28 hay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn Cơng thức tính: R = = = 100 (Ω) Trong đó: Unguồn : nguồn nuôi đầu vào U1led : điện áp hoạt động Led đơn n : số led dùng mạch i: dòng điện Led Do điều kiện thực tế, ta thấy chọn điện trở từ 100 Ω - 220 Ω Để bảo vệ điện áp rơi trở sau vào tải tốt ta chọn trở có giá trị 220 Ω 2.5.5 Tính chọn linh kiện cho khối tín hiệu Để tín hiệu đầu dễ dàng tiện lợi cho người sử dụng, ta nên chọn linh kiện khối đầu bóng đèn, còi báo động điện áp hoạt động phải đủ lớn để thơng báo tín hiệu đầu tốt Mục đích tiện lợi cho người sử dụng u cầu mạch • Thơng số kỹ thuật bóng đèn: Điện áp: 150-250 VAC/50Hz Cơng suất: 7w Dịng điện (max): 0.07A Góc chùm tia: 200o Nhiệt độ làm việc: (-20 - 40)oC 29 Ánh sáng: liên tục Hình 2.26 Bóng đèn Led Bulb 220VAC • Thơng số kỹ thuật còi báo động: Điện áp hoạt động: 220VAC/50Hz Dòng điện: