TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH

CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ

4.5 THIẾT KẾ MƠ HÌNH

4.5.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH

4.5.2.1 THIẾT KẾ KHỐI NGUỒN

Để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định, an tồn của hệ thống, thì cuồn điện cung cấp phải đi qua Module hạ áp LM2596 để cung cấp nguồn ổn định ở mức 5VDC 1A.

Hình 4. 11: Module LM2596 (Nguồn Internet)

Thơng số kỹ thuật:

 Module nguồn không sử dụng cách ly

 Nguồn đầu vào từ 4 – 35 V.

 Nguồn đầu ra: 1 – 30 V.

 Dịng ra Max: 3 A

 Kích thước mạch: 53 mm x 26 mm

 Đầu vào: INPUT +, INPUT-

 Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT- Cách sử dụng:

29

 Chỉ cần cấp nguồn đúng vào chân INPUT+, INPUT-, rồi nhận nguồn ra từ chân OUTPUT+, OUTPUT-.

 Chỉnh điện áp đầu ra bằng cách vặn cái biến trở trên module...rồi lấy đồng hồ đo điện áp đầu ra, hiệu chỉnh sao cho phù hợp ( Nếu vặn biến trở mà đo vẫn không thấy thay đổi các bạn vặn thêm 10 vòng nữa hoặc vặn ngược lại nhé, bởi vì cái biến trở đó hỗ trợ vặn 14 vịng).

4.5.2.2 THIẾT KẾ KHỐI CẢM BIẾN

4.5.2.2.1 CẢM BIẾN ỨNG LỰC ĐIỆN TRỞ

Hình 4. 13: Cảm biến cảm ứng lực điện trở (Nguồn Internet)

Fsr402 là một cảm biến lực cảm ứng điện trở, cảm biến này sẽ thay đổi trở kháng tùy thuộc vào áp lực (áp suất) đề lên phần cảm ứng. Nó được thiết kế siêu nhẹ, nhỏ gọn, độ nhạy cao.

 Cảm biến chuyển đổi áp suất áp dụng cho khu vực của màng cảm biến FSR thành thay đổi giá trị điện trở để có được thơng tin áp suất.

30

Hình 4. 14: Cấu tạo của cảm biến FSR402 (Nguồn Internet)

Cấu tạo của cảm biến lực FSR402 gồm 3 phần:

 Phần đáy: có các chất bán dẫn linh hoạt.

 Phần giữa: kết nối giữa phần tác động với phần đáy.

 Phần tác động: gồm có các điện cực xen kẽ với nhau, và 2 chân để kết nối với nguồn và mass và tín hiệu analog.

Hình 4. 15: Đồ thị qua hệ điện trở và lực tác động (Nguồn Internet)

Giá trị của kháng trở có giá trị từ 100 Ω đến 100 KΩ thay đổi theo áp suất của lực tác động vào bề mặt của cảm biến. Lực tác động này làm thay đổi khoảng cách giữa các phần tử dẫn điện với nhau.

31

Giá trị bão hòa của cảm biến FSR là 10 kg, với giá trị bão hòa áp suất từ 100 psi đến 200 psi. Khi lực tác động cao hơn sao với giá trị bão hòa, giá trị sẽ giữ ngun ở mức bão hịa.

Hình 4. 16: Đồ thị quan hệ VOUT và lực tác động (Nguồn Internet)

Dòng ra của cảm biến được xác định bằng công thức: VOUT = (V+) / [1 + RFSR/RRM]

 Vout: Giá trị nguồn điện ra của cảm biến FSR.

 V+: Nguồn cấp cho cảm biến điện vào của cảm biến FSR.

 RFSR: Giá trị biến trở của FSR.

 RM: Resistor measurement gía trị điện trở

Theo cơng thức Vout sẽ có giá trị tỉ lệ thuận với lực tác động vào cảm biến. Nếu RFSR và RRM đổi vị trí cho nhau, thì nguồn ra của cảm biến sẽ có giá trị tỉ lệ nghịch với lực.

4.5.2.2.2 CẢM BIẾN SÓNG SIÊU ÂM

Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người có thể nghe được. Tần số tối đa này tùy vào từng người nhưng thông thường vào khoảng 20000 Hz.

Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều mơi trường tương tự như môi trường là truyền của âm thanh như: khơng khí, chất lỏng, chất rắn, và với tốc độ bằng với tốc

32

độ âm thanh. Do cùng tốc độ lan truyền với âm thanh, trong khi tần số cao hơn, bước sóng của siêu âm ngắn hơn của âm thanh. Vì vậy sóng siêu âm được ứng dụng trong y khoa, và được dùng trong các ứng dụng quan trắc để đo khoảng cách, vận tốc.

Hình 4. 17: Cảm biến sóng siêu âm HC-SR04 (Nguồn Internet)

Cảm biến khoảng cách HC-SR04 là cảm biến dùng để xác định khoảng cách trong phạm vi nhất định bằng cách phát sóng âm. Cảm biến với độ chính xác khá cao và độ ổn định trong quá trình sử dụng, đồng thời dễ dàng kết nối với các MCU (Arduino, DSP, AVR…).

Thông số kỹ thuật:

 Nguồn: 5 VDC.

 Dòng điện tĩnh: < 2 mA.

 Tín hiệu đầu ra: tín hiệu tần số điện, mức cao 5 V, mức thấp 0 V.

 Góc cảm biến: Khơng quá 15o.

 Khoảng cách phát hiện: 2 cm ~ 450 cm.

 Độ chính xác cao: Lên đến 3 mm.

 Chế độ kết nối: VCC / trig (T) / echo (R) / GND. Cảm biến HC-SR04 có 4 chân là: Vcc, Trig, Echo, GND.

33

Bảng 4. 2: Chân của cảm biến HC-SR04

Vcc 5V

Trig Một chân Digital output

Echo Một chân Digital input

GND GND

Nguyên lý hoạt động:

Hình 4. 18: Nguyên lý hoạt động của HC-SR04 (Nguồn Internet)

 Loa truyền tín hiệu đi transmitter (trig Pin) phát siêu âm tần số cao.

 Khi tín hiệu gặp vật cản, siêu âm sẽ bị truyền ngược lại.

 Loa nhận tín hiệu receiver (echo Pin) sẽ nhận một phần tín hiệu bị dội ngược lại.

 Dựa vào thời gian và vận tốc âm thanh truyền trong khơng khí chúng ta sẽ tính được khoảng cách.

34

Cơng thức tính khoảng cách được sử dụng trong code arduino:

S = T x V

 S: Khoảng cách cần tìm.

 V: Vận tốc âm thanh truyền trong khơng khí 340 m/s.

 T: Thời gian khi sóng âm gặp vật cản và quay lại.

Giá trị cần được chia đơi vì qng đường sóng âm đã đi 2 lần từ lúc bắt đầu cho đến khi gặp vật cản và bị dội ngược lại.

S = (T / 2 ) x 0.034 or S = T x 0.034 / 2

4.5.2.2.3 CẢM BIẾN THÂN NHIỆT CHUYỂN ĐỘNG HC-SR501

Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong chúng ta ln có thân nhiệt (thơng thường là ở 37oC), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó khơng dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật…

35

Thông số kỹ thuật:

 Sensor chip: S16-L221D.

 Điện áp sử dụng: 3,3 - 5 VDC.

 Working Current: 12 – 20 μA.

 Sensitivity: 120 – 530 μV.

 Max detecting range: 2 m.

 Max angle 360 o.

Nguyên lý hoạt động:

Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động.

Hình vẽ cho thấy 2 vùng cảm ứng nhạy cảm tương ứng với 2 cảm biến trong đầu dị. Khi có một con vật đi ngang, từ thân con vật sẽ ln phát ra tia nhiệt, nó được tiêu tụ mạnh với kính Fresnel và rồi tiêu tụ trên bia là cảm biến hồng ngoại, vậy khi con vật đi ngang, ở ngõ ra của đầu dò chúng ta sẽ thấy. Xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu này sẽ được cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động.

36

Hình 4. 20: Nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR- khi chưa có người

(Nguồn internet)

Hình 4. 21: Ngun lý hoạt động của cảm biến PIR- khi có người

37

4.5.2.3 BỘ XỬ LÝ ARDUINO 4.5.2.3.1 MẠCH ARDUINO UNO 4.5.2.3.1 MẠCH ARDUINO UNO

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Những model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.

Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên, … để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với mơi trường thơng q các cảm biến và cơ cấu chấp hành.

Hình 4. 22: Mạch Arduino (Nguồn internet)

Thơng số kỹ thuật:

38

 Chip điều khiển chính: ATmgea328P.

 Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2.

 Nguồn nuôi mạch: 5 VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm vào giắc trịn DC.

 Số chân Digital I/O: 14 (trong đó có 6 chân có khả năng xuất xung PWM).

 Số chân PWM Digital I/O: 6.

 Số chân Analog input: 6.

 Dòng điện DC current trên mỗi chân I/O: 20 mA.

 Dòng điện DC current chân 3,3 V: 50 mA.

 Flash memory: 32 KB (ATmega328P), 0,5 KB dùng cho bootloader.

 Kích thước: 68,6 x 53,4 mm.

4.5.2.3.2 PHẦN MỀM

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng cross- platform (đa nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụng cho ngôn ngữ lập trình sử lý. Nó bao gồm một chương trình code editor với các chức năng như đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, và tự động canh lề, cũng như compile (biên dịch) và upload chương trình lên board chỉ với 1 cú nhấp chuột. Một chương trình hoặc code viết cho Arduino được gọi là một sketch.

Các chương trình Arduino được viết bằng ngơn ngữ C hoặc C++. Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là Wiring, từ project Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/ output được dễ dàng hơn. Người dùng chỉ cần định nghĩa 2 hàm để tạo ra một chương trình vịng thực thi (cycle executive) có thể chạy được:

 Setup (): Hàm chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt.

39

4.5.2.4 THIẾT KẾ KHỐI THÔNG BÁO 4.5.2.4.1 MODULE SIM 800L 4.5.2.4.1 MODULE SIM 800L

Hiện nay có các loại Module Sim800L, Module Sim900A… chọn Module Sim800L như một điện thoại nhưng có kích thước nhỏ. Với mức điện áp hoạt động 5 VDC chuẩn điện áp thông dụng nhất với các loại vi điều khiển và cả giao tiếp máy tính, cùng với tính ổn định cao và đơn giản về sử dụng.

Để hệ thống có thể gửi thơng báo bằng tin nhắn, ở đây chúng tôi sử dụng Module Sim 800L với thiết kế nhỏ gọn, đáp ứng được yêu cầu đề tài và tiết kiệm kinh phí.

Tính năng:

 SIM800L GSM là một mơ-đun được thiết kế nhỏ gọn, hoạt động ổn định, tích hợp khe Micro SIM và ăng-ten, có thể được tích hợp vào một số lượng lớn các dự án IoT.

 Bạn có thể sử dụng mơ-đun này để thực hiện hầu hết mọi thứ mà một điện thoại di động bình thường có thể làm được ví dụ như: tin nhắn văn bản SMS, thực hiện hoặc nhận cuộc gọi điện thoại, kết nối Internet thông qua GPRS, TCP / IP, v.v.

 Mô-đun hỗ trợ mạng GSM / GPRS bốn băng tần, có nghĩa là nó hoạt động khá nhiều ở mọi nơi trên thế giới.

40

Thực hiện việc nhắn tin cảnh báo qua điện thoại của người thân biết khi nồng độ cồn đo được vượt mức an tồn.

Thơng số kỹ thuật:

 Chip: SIM800L.

 Điện áp: 3,7 – 4,2 VDC.

 Khe sim MicroSim.

 Dòng chờ 10 mA.

 Dòng hoạt động 100 mA đến 1 A. Có thể dùng dịng 500 mA từ Arduino nhưng nên dùng nguồn đủ 1 A để mạch hoạt động ổn định hơn.

 Mạng lưới hỗ trợ: mạng quad-band tồn cầu.

 Kích thước module: 2,5 cm x 2,3 cm.

Kết nối:

 VCC: Nguồn vào 3,7 – 4,2 VDC.

 TXD: Chân truyền Uart TX, nối với RXD.

 RXD: Chân nhận Uart RX, nối với TXD.

 DTR: Chân UART DTR, thường không xài.

 SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh.

 MICP, MICN: ngõ vào âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh. Reset: Chân khởi động lại Sim800L (thường khơng xài).

 RING : báo có cuộc gọi đến.

 GND: Chân Mass, cấp 0 V.

4.5.2.4.2 CỊI BÁO ĐỘNG

Cịi hú Buzzer được thiết kế phù hợp với các hệ thống báo động nhanh chóng và tức thời. Với tiếng báo động dễ nghe trong 1 thiết kế nhỏ gọn. Thường sử dụng trong các hệ thống báo động nhỏ, các thiết bị kiểm tra....

41

Hình 4. 25: Cịi hú Buzzer (Nguồn internet)

Thông số kĩ thuật:

 Điện áp hoạt động: 4 – 8 VDC.

 Dòng điện tiêu thụ: <=30 mA.

 Biên độ âm thanh: >85 dB .

 Tần số cộng hưởng: 2300 Hz ± 30 Hz.

 Nhiệt độ hoạt động: -25 °C đến +80 °C.

4.5.2.4.3 ĐÈN HALOGEN

Hình 4. 26: Đèn Halogen (Nguồn internet)

Thông số kĩ thuật:

 Dịng điện, cơng suất: 12 VDC, 24 W.

 Chân: 2 tiếp điểm, 2 sợi volfram.

Đây là loại đèn phù hợp thường được dùng cho hệ thống chiếu sáng cho ô tô. Khi sử dụng cùng chi có 3 tiếp điểm cho 2 cấp sáng thích hợp mơ phỏng cho đèn hazard.

42

4.5.2.5 TÍNH TỐN CƠNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG

Giả sử trong điều kiện tiêu chuẩn ta sẽ tính được cơng suất của tồn mạch như sau:

 Công suất của khối Arduino:

- Dòng điện DC current trên mỗi chân I/O : 20 mA. - Dòng điện DC current chân 3,3 V – 50 mA. - U nguồn= 5 V.

Chân Digital: I = 2 x 20 mA = 42 mA. ESP: 3,3 V- 50 mA.

P1= 5 * 0,042 + 3,3 * 0,05 = 0,375 W.  Công suất cho khối xử lý SIM800L: Cấp nguồn: 3,3 - 4,7 V /2 A.

P2= 4,7 * 2 = 9,4 W.

 Công suất của các cảm biến: HC-SR04 : 5 V / < 2 mA.

PIR : 3,3 V - 5 V / 12-20 µA. FSR402 : 5V / 10 mA.

 P3= 5 * 0,0019 + 5 * 2 * 10-4 + 5 * 0,01 = 0,0605 W. Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống:

43

4.5.3 THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG CẢNH BÁO QN TRẺ EM TRÊN Ơ TƠ

Hình 4. 27: Các thiết bị dùng để hàn linh kiện vào mạch 150 mm x 100 mm

1: Mỡ hàn; 2; Que hàn và nhựa thông, 3: Bút hút thiếc; 4: Thiếc hàn Quy trình lắp ráp – kiểm tra mạch:

44

Hình 4. 29: Mô phỏng mạch PCB của hệ thống.

 Bước 1: Sắp xếp các linh kiện hợp lý để dễ dàng thao tác hàn và nối dây giữa

các linh kiện lên trên bảng mạch.

45

 Bước 2: Hàn chân các linh kiện các tiếp điểm để cố định.

Hình 4. 31: Hàn cố định các chân của linh kiện

 Bước 3: Nối dây giữa các tiếp điểm lại với nhau.

46

 Bước 4: Dùng đồng hồ VOM để kiểm tra điện áp, dòng điện mà các linh kiện

nhận được, và sự thông mạch giữa các linh kiện trong mạch.

 Bước 5: Cuối cùng nạp chương trình và kiểm tra chương trình có đạt như u

cầu ban đầu không.

Bảng 4. 3: Bảng kết nối chân giữa board Arduino Uno với các linh kiện module của hệ thống

stt Tên chân

Arduino Input/Output Kết nối Ghi chú

1 Analog A0 Input 1 chân FSR402

2 Digital D11 Output Chân B PNP Q6

3 Digital D10 Input Chân Signal PIR HC-SR501

4 Digital D5 Input Chân Echo HC-SR04

5 Digital D6 Output Chân Trigger HC-SR04

6 Digital D7 Output Chân B PNP Q2

7 Digital D4 Input Chân RXD Module sim 800L

8 Digital D3 Input Chân TXD Module sim 800L