MÔ PHỎNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH BẰNG PHẦN MỀM PROTEUS

CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ

4.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRẺ EM TRÊN Ô TÔ BẰNG PHẦN

4.3.3 MÔ PHỎNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH BẰNG PHẦN MỀM PROTEUS

4.3.3.1 HỆ THỐNG NÂNG HẠ KÍNH

Hình 4. 6: Sơ đồ hệ thống nâng hạ kính bằng phần mềm Proteus

Nguyên lý hoạt động:

Sau khi nhận tín hiệu từ Arduino:

 Dòng đi từ chân D13 của Arduino  chân B transistor Q4  cuộn dây RL3  mass: làm cho cơng tắc RL3 đóng đóng cơng tắc chính của nâng hạ cửa kính ( tại vị trí tài xế).

 Nguồn đi từ Ắc quy  cuộn dây RL4  mass: làm cho công tắc RL4 đóng  Open ( cơng tắc mơ tơ hạ kính)  Mơ tơ hạ kính  mass : làm cho các cửa kính hạ xuống.

22

Hình 4. 7: Sơ đồ của hệ thống nâng hạ kính thơng thường (Nguồn internet)

Hệ thống motor nâng hạ kính trên ơ tơ, được ứng dụng trên được ứng dụng cho mơ hình cảnh báo để qn trẻ em trên ơ tơ để tránh hiện tượng bị ngạt thở do khơng khí lưu thơng kém trong ơ tơ qua các điều kiện thời tiết khác nhau, và để nâng cao khả năng nhận biết của mọi người xung quanh khi hệ thống hoạt động.

Để các mơ tơ có thể hoạt động khi khóa xe đã hồn tồn tắt, cần có relay nối thông qua công tắt Auto trên ghế tài xế. Relay này hoạt động nhờ công tắc transistor NPN, điều khiển bởi chân D13 của Arduino khi nhận được các tín hiệu thích hợp của các cảm biến.

Các relay của hệ thống nâng hạ kính sẽ được mắc diode song song với các cuộn dây. Cực cathode của diode sẽ nối với tiếp điểm dương của cuộn dây relay và anode của diode nối với mass cùng với tiếp điểm còn lại của relay. Nhằm để bảo vệ relay chống xoay chiều dòng điệ

23

4.3.3.2 HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

Hình 4. 8: Hệ thống chiếu sáng mơ phỏng bằng Proteus

Nguyên lý hoạt động:

Sau khi nhận tín hiệu từ Arduino:

 Dòng điện đi từ D12 của Arduino  chân B transistor Q5 kích chân B.

 Dịng đi từ Ắc quy  cầu chì  cuộn dây RL5 , RL6  chân C transistor Q5, tại đây đã được kích chân B nên dịng đi từ chân C qua chân E của Q5  mass: làm cho công tắc của RL5 , RL6 đóng  dịng qua đèn  mass: đèn cảnh báo sáng.

Hệ thống chiếu sáng trên ô tô được dùng vào hệ thống cảnh báo quên trẻ em trên ô tô. Hệ thống dùng để thông báo với mọi người xung quanh qua thị giác. Hệ thống được điều khiển khi tắt khóa xe bởi cơng tắc NPN qua chân D12 của Arduino.

4.3.3.3 HỆ THỐNG CÒI

Hệ thống cịi dùng để thơng báo với mọi người xung quanh qua thị giác:

 Cuộn dây của relay còi được cấp nguồn transistor PNP. Dòng VCE của PNP được tiếp mass bởi tín hiệu của cảm biến PIR.

 Tiếp điểm mass của còi được điều khiển bởi transistor PNP. Chân B của PNP được nối với D7 của Arduino, là tín hiệu từ cảm biến sóng siêu âm HC-SR04.

24

Hình 4. 9: Sơ đồ hệ thống cịi bằng phần mềm Proteus

Nguyên lý hoạt động:

Sau khi nhận tín hiệu từ Arduino:

 Dịng đi từ D10 của Arduino  chân B transistor Q2 ( chân B được kích).

 Dịng đi từ D7 của Arduino  chân B transistor Q1 ( chân B được kích).

 Dịng đi từ Ắc quy  chân C transistor Q2 do đã được kích chân B nên dòng tiếp tục đi xuống chân E qua cuộn dây của RL1  mass: cơng tắc của RL1 đóng  buzzer  chân C transistor Q1, tại đây chân B của Q1 đã được kích nên dịng tiếp tục xuống chân E  mass: buzzer hoạt động.

25

4.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CẢNH BÁO QUÊN TRẺ EM TRÊN Ơ TƠ EM TRÊN Ơ TƠ

Hình 4. 10: Mơ phỏng hoạt động của hệ thống bằng Proteus

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Trường hợp 1:

 Tiếp điểm khóa ở vị trí OFF, hệ thống được cấp nguồn.

 Cảm biến lực nhận được tín hiệu có lực tác động, vì tài xế vẫn còn trong xe. Hệ thống cảnh báo không hoạt động.

Trường hợp 2:

 Tiếp điểm khóa ở vị trí OFF, hệ thống được cấp nguồn.

 Cảm biến lực khơng nhận được tín hiệu do khơng cịn tài xế ngồi tại vị trí. Tín hiệu analog được truyền đến chân A0 của Arduino Uno.

 Dòng từ chân D11 của Arduino  chân B transistor Q3, kích chân B. Đồng thời nguồn đi từ Ắc quy đến  chân C transistor Q3, vì chân B đã được kích

26

nên dịng tiếp tục qua chân E transistor Q3  cuộn dây RL2  mass: làm cho cơng tắc của RL2 đóng  cấp nguồn cho PIR.

 Dòng đi từ D6 Arduino  chân Trigger HC-SR04  chân Echo HC-SR04. Nếu khơng có trẻ em trên xe thì hệ thống sẽ khơng không hoạt động.

Nếu trên xe vẫn cịn trẻ em thì:

 Signal của cảm biến PIR HC-SR501  D10 của Arduino.

 Chân Echo của cảm biến HC-SR04  D5 của Arduino. Hệ thống nâng hạ kính sẽ hoạt động:

 Dịng điện từ D13 của Arduino  chân B transistor Q4  cuộn dây RL3  mass: cơng tắc RL3 đóng cơng tắc tổng nâng hạ kính (tại vị trí tài xế).

 Nguồn đi từ Ắc quy  cuộn dây RL4  mass  cơng tắc RL4 đóng  cơng tắc Open (cơng tắc mơ tơ hạ kính)  Mơ tơ hạ kính  mass : làm cho các cửa kính hạ xuống.

Hệ thống cảnh báo cịi Buzzer hoạt động:

 Dòng đi từ D10 Arduino  chân B transistor Q2.

 Dòng đi từ D7 của Arduino  chân B của transistor Q1 ( chân B được kích),

 Dịng đi từ Ắc quy  ICE thông  cuộn dây RL1  mass: công tác RL1 đóng  Buzzer  ICE của transistor Q1 thơng mass: buzzer hoạt động.

Hệ thống đèn cảnh báo hoạt động:

 Dòng từ D12 Arduino  chân B transistor Q5.

 Dòng từ Ắc quy  cầu chì  cuộn dây RL5 , RL6  chân C transistor Q5  chân E transistor Q5  mass: cơng tắc của RL5 , RL6 đóng  hệ thống đèn  mass: hệ thống đèn cảnh báo sáng.

Module sim800L hoạt động:

 Dòng từ D3 và D4 Arduino  chân TXD và RXD của Sim800L  gọi điện thoại đến số điện thoại của chủ xe thông qua việc cài đặt trước số điện thoại  chủ xe gửi tin nhắn “OFF”  hệ thống ngưng hoạt động.

27 Hệ thống cảnh báo sẽ ngưng hoạt động nếu:

 Chủ xe đến và mở cửa đưa em bé ra ngoài.

 Chủ xe gửi tin nhắn “OFF” đến hệ thống.

4.5 THIẾT KẾ MƠ HÌNH

4.5.1 CÁC THÀNH PHẦN LINH KIỆN SỬ DỤNG CHO HỆ THỐNG

Bảng 4. 1: Danh sách các linh kiện module, cảm biến sử dụng trong mạch điều khiển hệ thống quên trẻ em ô tô.

STT Tên linh kiện Số lượng Loại

1 Arduino 1 Uno R3 2 Module LM2596 1 01 3 Module Sim 1 800L 4 PIR sensor 1 HC-SR501 5 Ultrasonic sensor 1 HC-SR04 6 Force sensor 1 FSR402 7 Buzzer 1 5 VDC 8 Transistor NPN 2 2a2222N 9 Transistor PNP 3 TIP127 10 Relay 2 Coil 5V 11 Điện trở 3 1k Ohm 12 Điện trở 1 500 Ohm 13 Diode 3 Diode 14 Tụ điện 1 1000F

28

4.5.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH 4.5.2.1 THIẾT KẾ KHỐI NGUỒN 4.5.2.1 THIẾT KẾ KHỐI NGUỒN

Để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định, an toàn 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)

Thông số kỹ thuật:

 Module nguồn không sử dụng cách ly

 Nguồn đầu vào từ 4 – 35 V.

 Nguồn đầu ra: 1 – 30 V.

 Dòng 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 nguyên 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 q 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 ln phát ra các tia nhiệt, hay cịn 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: Nguyên 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)

Thông 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.