Hình 5.8 Hình chiếu bằng của mơ hình
5.3 Lựa chọn các linh kiện trong mạch
- Lý do chọn: có nhiều trên thị trường, giá cả phải chăng, dễ tìm kiếm sử dụng lâu dài, dễ dàng vận chuyển nhỏ gọn trong tình hình dịch bệnh.
Hình 5.9 Cảm biến khí gas MQ-2
Cảm biến khí gas MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong khơng khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện.
Cảm biến khí gas MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane
và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau.
Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở.
Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ
thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị,..., cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng.
Hình 5.11 Arduino Mega 2560 R3
Arduino Mega 2560 R3 là phiên bản nâng cấp của Arduino Uno R3 với số
chân giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn, tại Hshop.vn phiên bản Mega 2560 là Revision 3 (R3) như hình mơ tả dưới đây, các bạn nên lưu ý điểm này rất quan trọng vì ở một số nơi bán loại không phải R3 mà là các phiên bản cũ hoặc sử dụng IC nạp CH340 giá rẻ với cấu trúc phần cứng dễ lỗi, dễ cháy hơn so với phiên bản R3.
Thông số kỹ thuật:
Vi điều khiển chính: ATmega2560
IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2.
Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm từ giắc tròn DC (nếu sử dụng nguồn ngồi từ giắc trịn DC Hshop.vn khun bạn nên cấp nguồn từ 6~9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt, nếu bạn cắm 12VDC thì IC ổn áp rất nóng, dễ cháy và gây hư hỏng mạch).
Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM) Số chân Analog Input: 16
Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA
Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader. SRAM: 8 KB
EEPROM: 4 KB Clock Speed: 16 MHz LED_BUILTIN: 13
Kích thước: 101.52 x 53.3 mm
Module NRF24L01 là một module truyền nhận dữ liệu nâng cao với khả năng kết nối point-to-point (2 node mạng), hoặc network (mạng lưới nhiều node mạng), sử dụng sóng radio 2.4GHz.
Vùng hoạt động: Khoảng cách đạt được của module không khuếch đại công suất trong không gian không vật cản là 100m và của module có khuếch đại cơng suất lên tới 1km.
Ứng dụng:
Bàn phím, chuột khơng dây Game controller
Điều khiển từ xa
Hệ thống giám sát không dây Hệ thống cảm biến tiết kiệm điện Internet of Things
V.v
Thông số kỹ thuật:
Giao tiếp: SPI
Băng tần hoạt động: 2.4GHz, 126 kênh RF Tốc độ truyền: 250kbps, 1Mbs, 2Mbs
Điện áp hoạt động: 1.9 - 3.3V ( khuyến nghị nên dùng 3.3V) Dịng điện tiêu thụ: 26uA (Standby) , 50mA (Cơng suất tối đa)
Hình 5.13 ạch giảm áp DC L 2596 3A
Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống
1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%) . Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, motor, robot,…
Thông số kỹ thuật
Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V.
Dòng đáp ứng tối đa là 3A. Hiệu suất: 92%
Công suất: 15W
Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm
Hình 5.14 ạch Opto cách ly 2 kênh PC817
Mạch Opto cách ly 2 kênh PC817 được sử dụng để chuyển mức tín hiệu
Digital hoặc cách ly tín hiệu với các nguồn nhiễu qua Opto, mạch opto cách ly 2 kênh PC817 có thiết kế nhỏ gọn, chất lượng gia cơng tốt, dễ sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
Port điều khiển tín hiệu điện áp: 3.6-24V Điện áp đầu ra: 3.6-30V
Đầu jumper đầu ra có thể được kéo lên hoặc kéo xuống
Onboard 2-Channel 817 hoạt động độc lập: có thể điều khiển điện áp khác nhau tại thời điểm đó
Sử dụng 2 opto 817, để đạt được tín hiệu điều khiển và tín hiệu điều khiển cách ly, bạn có thể sử dụng trực tiếp vi điều khiển hoặc cổng IO thiết bị khác để đạt được điều khiển cách ly điện áp, bạn có thể điều khiển điện áp nhỏ. Kích thước: 38x29mm
Hình 5.15 Module GSM GPRS sim800L
Module GSM GPRS sim800L có khả năng nhắn tin SMS, nghe, gọi, GPRS,
… như một điện thoại nhưng có kích thước nhỏ nhất trong các loại module SIM (25mm x 22mm). Điều khiển module sử dụng bộ tập lệnh AT dễ dàng, chân kết nối dùng rào đực thông dụng (male header) chuẩn 100mil.
Thông số kỹ thuật
Nguồn cấp: 3.7 – 4.2VDC, có thể sử dụng với nguồn dịng thấp từ 500mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino). Nhưng khuyên các bạn nên dùng nguồn có dịng đủ 1A để đảm bảo mạch hoạt động ổn định.
Khe cắm SIM: MICROSIM Dòng khi ở chế độ chờ: 10mA
Dòng khi hoạt động: 100mA đến 1A. Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến.
Kích thước: 25mm x 22mm
Hình 5.16 ạch i n Arduino Nano V3.0 ATmega328P
Mạch điện Arduino Nano V3.0 ATmega328P là bản thu nhỏ của các dòng như Arduino Uno, nhưng nó có thiết kế nhỏ gọn, linh hoạt, tiện sử dụng cho các Breadboard nhỏ, cũng như cho các Project địi hỏi tính nhỏ gọn.
Board mạch Arduino Nano V3 sử dụng chip Atmega328-AU nên có thêm 2 chân Analog A6, A7. Bên cạnh đó trên Board có sử dụng Opamp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board. Một tính năng đáng chú ý nữa trên Arduino Nano là sử dụng chip CH340 để giao tiếp, việc này giúp tiết kiệm và hạ giá thành sản phẩm.
Vi điều khiển ATmega328
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)
Chân PWM Digital I/O 6
Chân đầu vào Analog 8 (thêm A6, A7) so với UNO Dòng sử dụng I/O Pin 20 mA (tối đa 40mA)
Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328) SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Clock Speed 16 MHz Chiều dài 43.2 mm Chiều rộng 18.5 mm Trọng lượng 5g Hình 5.17 Đế ra chân NRF24L01
Đế ra chân NRF24L01 có ic ổn áp hay còn gọi là Module hỗ trợ NRF24L01
8 chân, có hỗ trợ module giảm áp AMS1117 – 3V3, ra sẵn các chân điều giao tiếp, người dùng khơng cần phải nhìn sơ đồ chân của module NRF24L01 nữa.
Thơng số kỹ thuật Đế ra chân NRF24L01 có ic ổn áp
Điện áp: Áp ngõ vào: 4.8VDC – 8.7VDC Module giảm áp: AMS1117 – 3V3
Kích thước: 16mm * 19mm * 11.3mm Trọng lượng: 2g
Hình 5.18 LCD1602
Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng
hiển thị 2 dịng với mỗi dịng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động là 5 V Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm Chữ đen, nền xanh lá
Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard
Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện
Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn
Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết
Chân hiệu Ký Mô tả Giá trị
1 VSS GND 0V
2 VCC 5V
3 V0 Độ tương phản 4 RS Lựa chọn thanh ghi
RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh
RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu
5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết
dữ liệu R/W=0 thanh ghi viết R/W=1 thanh ghi đọc
6 E Enable
7 DB0
Chân truyền dữ liệu 8 bit: DB0DB7 8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 14 DB7 15 A Cực dương led nền 0V đến 5V 16 K Cực âm led nền 0V Hình 5.19 Đi n trở 220 ohm
Thông số kỹ thuật:
Model: 220R 1/4W Nhiệt độ hoạt động: -55o
C – 155oC Linh kiện xuyên lỗ: 0.5mm
Loại: Điện trở cố định
Điện trở cắm 220R 1/4W có giá trị trở kháng cố định được sản xuất theo chuẩn E24 có sai số rất nhỏ chỉ 5%, hiệu suất làm việc ổn định, nhiễu nhiệt nhỏ, đặc tính tần cao. Là loại điện trở được sản xuất theo công nghệ Carbon film. Điện trở cắm 1/4W có kích thước nhỏ, nhiệt độ hoạt động từ -55oC đến 155o
C và dải điện áp rộng thích hợp với nhiều mạch điện tử. Bạn có thể ghép các điện trở nối tiếp, song song hoặc kết hợp để có được giá trị điện trở phù hợp với yêu cầu.
Hình 5.20 odule Chuyển Đổi I2C Cho LCD1602 và LCD2004
Điện áp hoạt động : 2.5 - 6V
Kích thước : 41.5mm x19mmx15.3mm Trọng lượng : 5g
Thông thường để sử dụng màn hình LCD bạn cần rất nhiều chân trên Arduino để điều khiển. Do vậy để đơn giản hóa cơng việc, người ta tạo ra một loại mạch điều khiển màn hình LCD sử dụng giao tiếp I2C.
Nói một cách đơn giản, bạn chỉ cần 2 dây để có thể điều khiển màn hình thay vì 8 dây thơng thường.
Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780 (LCD 1602, LCD 2004, …) cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD. Nhưng với module chuyển giao tiếp LCD sang I2C, chúng ta chỉ cần hai chân (SDA và SCL) của MCU kết nối với hai chân (SDA và SCL) của module để có thể hiển thị thơng tin lên LCD. Ngồi ra có thể điều chỉnh được độ tương phản bởi biến trở gắn trên module.
5.4 Tiến hành thực hiện mạch
Hình 5.22 Hồn thành in mạch
Hình 5.24 L p ghép và hồn chỉnh mạch
5.5 Mơ phỏng và điều khiển mạch 5.5.1 Giới thiệu phần mềm Proteus 5.5.1 Giới thiệu phần mềm Proteus
Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao
gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, …
Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola.
Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mơ phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in. Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiển khá tốt, nó hỗ trợ các dịng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 ... các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet,... ngồi ra cịn mơ phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả. Proteus là bộ công cụ chuyên về mô phỏng mạch điện tử.
ISIS đã được nghiên cứu và phát triển trong hơn 12 năm và có hơn 12000 người dùng trên khắp thế giới. Sức mạnh của nó là có thể mơ phỏng hoạt động của
các hệ vi điều khiển mà không cần thêm phần mềm phụ trợ nào. Sau đó, phần mềm ISIS có thể xuất file sang ARES hoặc các phần mềm vẽ mạch in khác.
Trong lĩnh vực giáo dục, ISIS có ưu điểm là hình ảnh mạch điện đẹp, cho phép ta tùy chọn đường nét, màu sắc mạch điện, cũng như thiết kế theo các mạch mẫu (templates)
Những khả năng khác của ISIS là:
Tự động sắp xếp đường mạch và vẽ điểm giao đường mạch. Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng Xuất file thống kê linh kiện cho mạch
Xuất ra file Netlist tương thích với các chương trình làm mạch in thông dụng.
Đối với người thiết kế mạch chuyên nghiệp, ISIS tích hợp nhiều công cụ giúp cho việc quản lý mạch điện lớn, mạch điện có thể lên đến hàng ngàn linh kiện.
Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design) Khả năng tự động đánh số linh kiện
5.5.2 Mô phỏng và điều khiển mạch
Hình 5.26 Danh sách linh ki n
Những linh kiện được lấy từ thư viện của: https://www.theengineeringprojects.com/
Đây là mạch chính tiếp nhận nhân tiến hiệu thơng qua hai mạch phụ ( mạch phòng ngủ và phịng bếp ) và truyền tín hiệu sms tới điện thoại thơng qua module SIM900A
Mạch bao gồm: Arduino Mega 2560, cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến khí gas MQ-2, hai điện trở 220 và leg tín hiệu tự trưng cho cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến khí gas MQ-2 đang hoạt động, mạch mở rộng chân PCF8574 và một LCD LM016L hiển thị thông báo mạch đang ở trạng thái nào.
Hình 5.28 ạch báo cháy phịng bếp và phịng ngủ
Hai mạch tương đồng nhau có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu khói,cháy và gas để gửi về mạch chính.
Mạch bao gồm: Arduino Nano, cảm biến khí gas MQ-2, hai điện trở 220 và leg tín hiệu tượng trưng cho cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến khí gas MQ-2 đang hoạt động.
Hình 5.29 Module SIM900A
Đây là trung gian giúp cho Arduino gửi tín hiệu dưới định dạng SMS đến điện thoại.
Hình 5.30 Code iều khiểu cho Arduino
Arduino và được nạp vào chương trình mơ phỏng Proteus thơng qua file có đi hex
5.6 Kết luận
Nhóm đã hồn thành “ Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy qua điện thoại di động ”về cơ bản đã giải quyết những vấn đề đã đặt ra về nội dung cũng như hình thức. Đây là một đề tài khá mới so với những gì đã được học trên trường. Trong tình hình dịch bệnh hồnh hành nhóm đã cố gắng hoàn thành mơ hình trong thời hạn mà trường đưa ra. Mặc dù mơ hình khơng được hồn thiện một cách chỉnh chu cũng hoàn hảo nhất nhưng vẫn đầy đủ các tiêu chí thiết yếu mà nhóm đã đặt ra yêu cầu từ trước khi bắt tay vào triển khai.
5.6.1 Chức năng mơ hình
Sử dụng hệ thống tự động bằng cảm biến khí gas, khói và nhiệt độ Có hệ thống thơng báo về SMS khi có họa hoạn cũng như rị rỉ gas Sử dụng Arduino điều khiển và thông báo cho người sử dụng
Bên cạnh đó chúng ta đã làm giảm thiệu nhưng nguy cơ hỏa hoạn và nhưng thương vong đáng tiết có thể xảy ra.
Mơ hình đã giải quyết đƣợc các vần đề trọng yếu nhƣ :
Phòng chống hỏa hoạn có thể xảy ra từ xa bảo vệ an tồn cho gia đình và mọi người xung quanh
Giam bớt đi nỗi lo về việc có thể gặp sự cố bất ngờ
Việc sử dụng cảm biến giúp ra biết chính xác sự cố mà ngơi nhà của mình đang gặp phải
5.6.2 Ƣu, nhƣợc điểm của mơ hình Ƣu điểm:
Thiết bị có khả năng tích hợp với nhiều cảm biến an ninh khác nhau, gồm
báo trộm, báo khói, báo cháy... tạo thành hệ thống bảo vệ hoàn chỉnh và đồng bộ cho mỗi hộ gia đình. Các thiết bị được kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm được chỉ định tiếp nhận và xử lý tín hiệu báo động. Tại đây, thiết bị được gắn một chiếc sim điện thoại có kèm chức năng tự động gọi điện và nhắn tín tới nhiều số di