Sau khi tạo linh kiện mới trong Proteus ta chỉ mới sử dụng linh kiện đó để vẽ mạch nguyên lý của hệ thống. Để vẽ đƣợc mạch in trong chế độ PCB Layout ta tiến hành tạo Layout cho các linh kiện vừa mới tạo.
Dựa vào datasheet của từng linh kiện, ta sẽ có đƣợc thông tin khoảng cách các chân trong của linh kiện. Đối với những linh kiện không có datasheet ta dùng thƣớc để đo kích thƣớc và ƣớc lƣợng kích thƣớc chuẩn gần nhất để vẽ cho linh kiện đó.
46 Tại giao diện làm việc của Proteus, ở phía thanh menu của chƣơng trình ta chọn icon để chuyển sang chế độ PCB Layout – vẽ mạch in, tiến hành vẽ Layout cho linh kiện.
Hình 4.34: Vị trí icon chuyển sang chế độ PCB Layout
Dựa vào datasheet của linh kiện, kích thƣớc thực tế của linh kiện ta tiến hành vẽ chân, kích thƣớc của linh kiện, đánh số thứ tự chân theo bên mạch mô phỏng.
Sau khi vẽ chân linh kiện, kích thƣớc linh kiện đúng thực tế, đánh số thứ tự chân linh kiện theo bên mạch mô phỏng. Ta khối chọn tất cả, nhấp chuột phải chọn Make Package, đặt tên cho Layout linh kiện, chọn thƣ viện lƣu cho linh kiện. Rồi chọn OK để lƣu Layout linh kiện đó vào Proteus.
47 Sau khi tạo Layout cho linh kiện, để có thể vẽ đƣợc mạch in cho linh kiện. Ta cần phải add Layout cho linh kiện. Bằng cách sang chế độ Schematic Capture, chọn linh kiện cần đƣợc add Layout > chuột phải > Packaging Tool > Add > Layout của linh kiện > OK.
48
CHƢƠNG 5. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 5.1 Lựa chọn giải pháp
5.1.1 Giải pháp thiết kế
Qua phân tích về đề tài, nhóm thực hiện chọn giải pháp xây dựng hệ thống cảnh báo nhắc nhở kiểm tra lại xe tích hợp nhiều module:
Khối hạ nguồn sử dụng module giảm áp LM2596.
Khối điều khiển trung tâm sử dụng board mạch Arduino Mega2560 làm bộ xử lý trung tâm do vi điều khiển ATmega2560 xử lý trung tâm. Khối này sẽ nhận tín hiệu từ thu thập đƣợc từ các khối cảm biến, khối công tắc máy, khối định vị để lƣu trữ và xử lý. Khi trƣờng hợp khẩn cấp xảy ra, khối điều khiển Module SIM 800L gửi tin nhắn và thực hiện cuộc gọi cảnh báo.
Khối hiển thị sử dụng LCD 16x2 để ngƣời trên ô tô có thể theo dõi trên xe.
Khối cảm biến sử dụng module cảm biến khí CO2 MH-Z19 để đọc đƣợc giá trị nồng độ ppm của CO2 và nhiệt độ hiện tại trong xe ô tô. Cảm biến siêu âm JSN-SR04T để đo khoảng cách, phát hiện sự hiện diện có chuyển động của ngƣời ở trong xe ô tô ở hàng ghế sau.
Module GPS NEO-6MV2 làm khối định vị, ở đây là toạ độ (kinh tuyến, vĩ tuyến) hiện tại của module trên bề mặt trái đất với sai số nhỏ nhất < 1m. Mục đích nhóm sử dụng module này để lấy vị trí toạ độ của xe, khi module SIM 800L gửi tin nhắn cảnh báo nhắc nhở sẽ gửi kèm theo vị trí toạ độ của xe để ngoài ngƣời điều khiển ô tô, những số điện thoại đƣợc thiết lập trƣớc của ngƣời thân cũng có thể biết đƣợc vị trị của ô tô khi trƣờng hợp khẩn cấp xảy ra.
Module SIM 800L làm khối cảnh báo từ xa, có khả năng nhắn tin SMS, cuộc gọi đến các số điện thoại đƣợc thiết lập trƣớc khi có trƣờng hợp khẩn cấp. Ngoài ra, module SIM 800L còn có chức năng GPRS nên sẽ đảm nhiệm chức năng của việc truyền dữ liệu, các giá trị đọc đƣợc của các cảm biến lên Thingspeak.
Khối báo động tại chỗ sử dụng chuông để gây sự chú ý của mọi ngƣời xung quanh hoặc ngƣời trong xe biết đang có trƣờng hợp khẩn cấp xảy ra.
49
5.1.2 Sơ đồ khối của hệ thống
Sau khi đã chọn đƣợc các module sử dụng trong đề tài, dựa vào chức năng của các module để lập 1 sơ đồ khối hoàn chỉnh làm nền tảng cho việc thi công hệ thống, lập trình và điều khiển.
Hình 5.1: Sơ đồ khối của hệ thống
5.1.3 Nhiệm vụ của các khối
Hệ thống đƣợc nghiên cứu và sử dụng trên xe ô tô thông dụng nên nguồn đƣợc lấy sử dụng trực tiếp từ acquy 12V trên xe.
Khối Module hạ nguồn 5V
Đa phần các module và các linh kiện điện tử đều hoạt động ở nguồn 5V để cấp vào. Vì vậy, để đảm bảo lấy nguồn 12V từ acquy sử dụng mà vẫn có thể cấp nguồn 5V cho các thiết bị điện tử nhƣ board Arduino Mega2560, các cảm biến,….nên việc sử dụng mạch nguồn nào đó có chức năng chuyển đổi nguồn 12V thành nguồn 5V ổn định là quan trọng nhất. Chính vì vậy, module LM2596 đƣợc sử dụng là hợp lý nhất.
50 Khối công tắc máy
Xác định ví trí ON/OFF của công tắc máy. Khi công tắc máy ở vị trí OFF, thì lúc này cảm biến siêu âm JSN-SR04T mới thực hiện chức năng giám sát.
Hình 5.3: Khối công tắc máy
Khối cảm biến
Khối cảm biến bao gồm: cảm biến khí CO2 MH-Z19, cảm biến siêu âm JSN-SR04T. Các tín hiệu thu thập đƣợc từ các cảm biến sẽ đƣợc gửi đến bộ xử lý trung tâm để lƣu trữ và xử lý. Trong đó:
Cảm biến khí CO2 MH-Z19 thu thập giá trị nồng độ ppm CO2, nhiệt độ hiện tại trong xe để gửi giá trị về bộ xử lý trung tâm.
Cảm biến siêu âm JSN-SR04T sẽ thu thập giá trị khoảng cách ở hàng ghế sau, nếu cảm biến phát hiện khoảng cách thay đổi và có chuyển động ở hàng hàng ghế sau và gửi giá trị về bộ xử lý trung tâm. Cảm biến siêu âm chỉ thực hiện chức năng giám sát khi công tắt máy ở chế độ OFF.
51 Khối định vị
Khối định vị ở đây, nhóm sử dụng module GPS NEO - 6MV2. Mục đích sử dụng module này để đọc giá trị toạ độ kinh độ, vĩ độ vị trí của xe ô tô, gửi giá trị thu thập đƣợc về bộ xử lý trung tâm.
Hình 5.5: Khối định vị
Khối báo động
Khối báo động ở đây nhóm sử dụng bao gồm: Khối báo động tại chỗ, Khối báo động từ xa. Trong đó:
Khối báo động tại chỗ để gây sự chú ý của mọi ngƣời xung quanh hoặc trong xe để cảnh báo trƣờng hợp khẩn cấp. Chuông báo động sử dụng nguồn 12V của acquy.
Khối báo động từ xa để thực hiện các tin nhắn nhắc nhở, cuộc gọi cảnh báo đến ngƣời điều khiển ô tô. Khối này sử dụng module sim 800L để thực hiện các chức năng nhƣ: Gửi tin nhắn nhắc nhở, cuộc gọi cảnh báo đến các số đã thiết lập trƣớc.
52 Khối hiển thị
Khối hiển thị bao gồm: LCD 16x2 và App Inventor2.
LCD 16x2 hiển thị giá trị cảm biến đọc đƣợc để ngƣời điều khiển ô tô theo dõi đƣợc nồng độ CO2 trong xe khi xe không hoạt động nếu có cảnh báo.
Giao diện ngƣời dùng hiển thị giá trị cảm biến đọc đƣợc qua App Inventor2 để ngƣời điều khiển ô tô có thể theo dõi từ xa, tránh các trƣờng hợp báo động nhiễu.
Hình 5.7: Khối hiển thị
5.2 Hoạt động
Hệ thống của nhóm sẽ hoạt động nhƣ sau:
Các module, linh kiện điện tử của hệ thống sẽ hoạt động liên tục nhờ nguồn cấp từ Acquy 12V qua module hạ áp LM2596 xuống còn 5V-3A để hoạt động.
Hệ thống giám sát bao gồm: cảm biến khí CO2 MH-Z19 đọc giá trị nồng độ ppm của CO2 và nhiệt độ hiện tại trong xe. Cảm biến siêu âm JSN-SR04T để xác định khoảng cách ở hàng ghế sau.
Hệ thống báo động bao gồm: còi hú báo động tại chỗ sử dụng nguồn 12V của acquy đƣợc điều khiển qua một chân Digital của Arduino khi có tình trạng khẩn cấp xảy ra. Module SIM 800L đƣợc dùng để gửi tin nhắn, cuộc gọi cảnh báo đến ngƣời điều khiển ô tô khi có trƣờng hợp khẩn cấp. Đồng thời module SIM 800L gửi dữ liệu đọc đƣợc của cảm biến thông qua GPRS lên Thingspeak để ngƣời điều khiển ô tô có thể theo dõi từ xa.
Khi hệ thống đƣợc cấp nguồn, các module cảm biến sẽ hoạt động: Cảm biến khí CO2
MH-Z19 đọc giá trị nồng độ phần trăm ppm và nhiệt độ hiện tại của ô tô gửi về bộ xử lý trung tâm Arduino để xử lý và hiển thị lên màn hình LCD, module GPS NEO 6M-V2 thu
53 thập giá trị toạ độ của xe gửi về bộ xử lý trung tâm để xử lý. Lúc này module SIM 800L thực hiện chức năng cập nhật dữ liệu thông qua GPRS gửi dữ liệu cảm biến đọc đƣợc lên Thingspeak để ngƣời điều khiển ô tô có thể theo dõi qua App.
Để xác định vị trí ON/OFF của công tắc máy, nhóm tiến hành đo điện áp sau công tắc máy bằng nguyên lý cầu phân áp, đƣợc tính theo công thức:
1 1 2 1 U (R R ) U R (V) Trong đó:
R1: Điện trở cầu dƣới. R2: Điện trở cầu trên.
Hình 5.8: Cầu phân áp.
Giá trị điện áp U1 sẽ đƣợc đo thông qua chân ADC A0 trên Arduino theo công thức: 1 ADC *5 U 1023 (V)
Dựa vào tín hiệu công tắc máy ON/0FF để cảm biến siêu âm JSN-SR04T thực hiện chức năng giám sát hoặc ở chế độ chờ.
Ở vị trí công tắc máy ON, cảm biến siêu âm JSN-SR04T chỉ hoạt động ở chế độ chờ, hàng ghế sau xe ô tô sẽ không đƣợc giám sát. Module cảm biến khí CO2 MH-Z19, module GPS NEO 6M-V2 thu thập giá trị và gửi về bộ xử lý trung tâm Arduino hiển thị lên màn hình LCD. Lúc này module SIM 800L chỉ thực hiện chức năng cập nhật dữ liệu thông qua GPRS gửi dữ liệu lên Thingspeak, qua App ngƣời điều khiển ô tô có thể theo dõi đƣợc nồng độ phần trăm ppm và nhiệt độ hiện tại của xe, vị trí toạ độ của xe nếu có nhu cầu. Chức năng cảnh báo, báo động ở vị trí công tắc ON sẽ không có.
54 Ở vị trí công tắc máy OFF, cảm biến siêu âm JSN-SR04T sẽ bắt đầu thực hiện chức năng giám sát ở hàng ghế sau xe ô tô, khoảng cách cảm biến siêu âm đƣợc thiết lập (kí hiệu là KCo). Đồng thời giá trị nồng độ phần trăm ppm của khí CO2 hiện tại trên xe sẽ đƣợc lƣu lại để so sánh (kí hiệu là CO2_OFF). Các module cảm biến sẽ liên tục đọc giá trị để gửi về bộ xử lý trung tâm Arduino để xử lý.
Nếu nồng độ phần trăm ppm đọc đƣợc của cảm biến khí CO2 là CO2_RD> CO2_OFF kết hợp với khoảng cách đọc đƣợc của cảm biến siêu âm là KC < KCo thì lúc này bộ xử lý trung tâm Arduino điều khiển module SIM 800L thực hiện báo động giai đoạn 1 gồm chức năng nhắn tin nhắc nhở yêu cầu kiểm tra lại xe đối với ngƣời điều khiển ô tô (các số điện thoại đã đƣợc thiết lập trƣớc). Và tiếp tục giám sát:
Khi nồng độ phần trăm ppm đọc đƣợc của cảm biến khí CO2 tiếp tục tăng thì nhóm tiến hành kết hợp thêm yếu tố nhiệt độ:
Nếu nhiệt độ T > 40oC và CO2_RD > CO2_OFF thì hệ thống tiếp tục báo động ở giai đoạn 2. (TH1)
Nếu nhiệt độ T < 30o
C và CO2_RD > CO2_OFF+ 600 ppm thì hệ thống sẽ tiếp tục báo động ở giai đoạn 2. (TH2)
Nếu nhiệt độ 30oC ≤ T ≤ 40oC và CO2_RD > CO2_OFF+ 900 ppm thì hệ thống sẽ tiếp tục báo động ở giai đoạn 2. (TH3)
Báo động ở giai đoạn 2 bao gồm tin nhắn cảnh báo, sau đó thực hiện chƣơng trình cuộc gọi đến ngƣời điều khiển ô tô. Đồng thời kích hoạt còi hú báo động tại chỗ.
Hệ thống chỉ dừng cảnh báo khi có sự giảm xuống của nồng độ CO2, khi ngƣời điều khiển ô tô mở cửa. Hoặc tắt công tắc của hệ thống.
55
5.3 Thiết kế và thi công mạch5.3.1 Thiết kế mạch 5.3.1 Thiết kế mạch
Nhóm sử dụng phần mềm Proteus để vẽ mạch nguyên lý của toàn hệ thống, sơ đồ mạch nguyên lý của toàn hệ thông của nhóm nhƣ sau:
Hình 5.9: Sơ đồ mạch toàn bộ hệ thống
5.3.1.1 Sơ đồ mạch khối hạ nguồn
Mạch nguồn chuyển đổi điện áp 12V của acquy trên xe sang 5V để cung cấp nguồn cho các module và linh kiện điện tử. Lƣu ý cấp đúng chiều Input, Output của module LM2596.
56
5.3.1.2 Sơ đồ mạch khối hiển thị
Module I2C LCD 16x2 sử dụng nguồn 5V để hoạt động. Giao tiếp với Arduino qua 2 chân SDA,SCL.
SDA của I2C nối với SDA của Arduino SCL của I2C nối với SCL của Arduino
Hình 5.11: Sơ đồ mạch khối hiển thị
5.3.1.3 Sơ đồ mạch khối định vị
Module GPS NEO – 6MV2 có thể đƣợc cấp nguồn từ 3.3V-5V. Ở mức 3.3V thì module có thể giao tiếp đƣợc. Module giao tiếp với Arduino thông qua 2 chân:
TX nối với RXD2 của Arduino RX nối với TXD2 của Arduino
57
5.3.1.4 Sơ đồ mạch khối cảm biến
Cảm biến khí CO2 MH-Z19 hoạt động ở nguồn 5V. Đọc giá trị nồng độ ppm của khí CO2 trong không khí và nhiệt độ liên tục gửi về bộ xử lý trung tâm. Cảm biến giao tiếp với Arduino thông qua 3 chân:
PWM của cảm biến nối với chân D4 của Arduino TX nối với RXD1 của Arduino
RX nối với TXD1 của Arduino
Cảm biến siêu âm JSN - SR04T hoạt động ở nguồn 5V. Đọc giá trị khoảng cách ở hàng ghế sau gửi về bộ xử lý trung tâm. Khi công tắc xe ở vị trị OFF cảm biến siêu âm bắt đầu thực thi giám sát. Cảm biến giao tiếp với Arduino thông qua 2 chân:
Trig (RX) nối với chân D2 (TX) của Arduino Echo (TX) nối với chân D3 (RX) của Arduino
Hình 5.13: Sơ đồ mạch khối cảm biến
5.3.1.5 Sơ đồ mạch khối công tắc máy
Để lấy đƣợc tín hiệu từ công tắc máy, xác định vị trí ON/OFF của xe. Ta đo tín hiệu điện áp từ công tắc máy của xe bằng cầu phân áp với giá trị điện trở cầu trên là 10 KΩ , giá trị điện trở cầu dƣới là 3.3 KΩ. Tín hiệu điện áp gửi đến chân A0 và đƣợc vi xử lý tính toán xuất ra giá trị điện áp. Từ đó ta xác định đƣợc trạng thái ON/OFF của công tắc máy.
58
Hình 5.14: Sơ đồ mạch khối công tắc máy
5.3.1.6 Khối báo động a. Khối báo động tại chỗ
Để báo động tại chỗ, nhóm sử dụng còi hú 12V sử dụng nguồn từ acquy đến. Giao tiếp với Arduino thông qua 1 chân D6, tín hiệu báo động tại chỗ đƣợc Arduino gửi từ chân D6 đến chân B của Transistor. Mỗi khi có tín hiệu từ chân D6 đến làm Transistor dẫn. Có dòng nhịp mass từ chân C của Transistor chân âm của còi.
\
59
b. Khối báo động từ xa
Để báo động từ xa, nhóm sử dụng module SIM 800L. Theo datasheet của module này thì nguồn đƣợc cấp phải từ 3.7V-4.2V, nhƣng trên thực tế do trong sản xuất hàng loạt nên có những module SIM 800L có thể cấp nguồn đến 5V mới hoạt động. Module SIM 800L nhóm sử dụng đƣợc cấp nguồn 5V để hoạt động. Giao tiếp với Arduino thông qua 2 chân:
TX của module nối với chân RXD3 của Arduino RX của module nối với chân TXD3 của Arduino
Hình 5.16: Sơ đồ mạch khối báo động từ xa
Ngoài chức năng báo động từ xa, thực hiện các tin nhắn và cuộc gọi cảnh báo. Module SIM 800L còn có chức năng truyền dữ liệu đọc đƣợc của cảm biến lên Thingspeak. Thông qua đó ngƣời điều khiển có thể theo dõi đƣợc từ xa, tránh các báo động nhiễu.
60
5.3.2 Thiết kế lƣu đồ thuật toán của hệ thống
Hình 5.17: Lƣu đồ thuật toán của hệ thống
5.3.2.1 Lƣu đồ của chƣơng trình giám sát