BỘ XỬ LÝ ARDUINO

CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ

4.5 THIẾT KẾ MƠ HÌNH

4.5.2.3 BỘ XỬ LÝ ARDUINO

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.

 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 mô-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 thơng, 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 khơng.

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

9 Digital D12 Output Chân B NPN Q3

47

Hình 4. 33: Mạch điều khiển hệ thống sau khi đã lắp các linh kiện

4.5.4 MƠ PHỎNG VỊ TRÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẢNH BÁO QUÊN TRẺ EM TRÊN Ô TÔ EM TRÊN Ô TÔ

4.5.4.1 MƠ PHỎNG VỊ TRÍ LẮP ĐẶT MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẢNH BÁO QUÊN TRẺ EM TRÊN Ô TƠ

48

Hệ thống được đặt ở vị trí hộp để đồ bên cạnh vị trí tài xế. Đây là nơi gần với các cảm biến được bố trí trên xe, nhằm giảm thiểu tối đa độ trễ tín hiệu truyền đi giữa mạch xử lý Arduino Uno với các thiết bị, và có thể đảm bảo an tồn cho hệ thống xử lý khi xe vận hành.

4.5.4.2 MÔ PHỎNG VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN FSR402 TRÊN Ơ TƠ

 Cảm biến lực FSR402 được đặt âm xuống dưới lớp đệm của ghế tài xế. Với mục đích xác định tài xế có cịn bên trong xe hay khơng.

 Cảm biến lực có giá trị tối đa 10 kg tương đương 100 N, đủ để phân biệt được lực tác động từ người ngồi hay của các đồ vật đặt dưới ghế.

Hình 4. 35: Vị trí lắp đặt cảm biến FSR402 trên ơ tơ

1: Cảm biến lực FSR402; 2: Ghế tài xế 1

49

4.5.4.3 MƠ PHỎNG VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI PIR HC- SR501 TRÊN Ô TÔ

Cảm biến hồng ngoại được đặt dưới điều hịa để có góc chiếu xuống vị trí ghế hành khách phù hợp với thơng số của cảm biến. Với vị trí này cảm biến có thể nhận biết được chính xác thân nhiệt mà tránh trường hợp bị cản trở.

Hình 4. 36: Vị trí lắp đặt cảm biến PIR trên ơ tơ

1: Cảm biến PIR HC-SR04; 2: Cửa điều hòa; 3: Vị trí ghê hành khách 1

2

50

4.5.4.4 MƠ PHỎNG VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN SĨNG SIÊU ÂM HC-SR04 TRÊN Ơ TƠ TRÊN Ơ TƠ

Cảm biến sóng siêu âm được đặt trên trần xe, có góc chiếu vuống góc với đệm ngồi của của ghê hành khách, để xác định được đúng khoảng cách từ trần đến ghế ngồi tránh các vật cản.

Hình 4. 37: Vị trí lắp đặt cảm biến sóng siêu âm HC-SR04

1: Cảm biến sóng siêu âm HC-SR04; 2: Ghế hành khách 1

51

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG,THI CÔNG, LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẢNH BÁO QUÊN TRẺ EM TRÊN Ô TÔ

5.1 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PROTEUS PROTEUS

5.1.1 CHƯƠNG TRÌNH ARDUINO CHO MƠ PHỎNG PROTEUS

Để hệ thống mô phỏng trên phần mềm Proteus không chỉ cần thiết lập các linh kiện hoạt động đúng với mục đích, chức năng, thơng số của các linh kiện module, cảm biến, mà còn cần phải nạp code Arduino được suất dưới dạng file .HEX.

Hình 5. 1: Lấy file .hex của chương trình Arduino

File hex được viết tắt của từ Hexadecimal gọi là hệ thập lục phân được tạo ra từ mã và trình biên dịch. File hex sau khi lấy từ Arduino IDE sẽ nạp vào Proteus 8. Quá trình này giống như cắm dây thực tế trên Arduino, code trên máy tính. Sau khi nhấn nút "Verify", Arduino IDE sẽ tạo ra file hex rồi nạp vào mạch.

52

Hình 5. 2: Nạp chương trình Arduino cho phần mềm Proteus

5.1.2 HOẠT ĐỘNG CỦA MƠ HÌNH MƠ PHỎNG

Sau khi code đã được nạp, ấn nút “Run the simulation” để hệ thống trên Proteus sẽ bắt đầu hoạt động:

 Trường hợp 1:

Cảm biến lực chịu lực tác động tương ứng khi có tài xế cịn ở trong xe. Cảm biến PIR không được cấp nguồn hoạt động. Vì vậy các cơ cấu cảnh báo khơng hoạt động.

53

Hình 5. 3: Mơ hình mơ phỏng bằng Proteus hoạt động theo TH1

 Trường hợp 2:

Cảm biến lực khơng chịu lực tác động. Vì vậy cảm biến PIR được cấp nguồn. Khi cảm biến PIR phát hiện được thân nhiệt cuộn dây của relay 1 được cấp nguồn.

Cảm biến sóng siêu âm khi phát hiện có sự thay đổi khoảng cách giữa trần ơ tô và ghế ngồi sẽ tiếp mass cho cịi ơ tơ.

Cả 2 tín hiệu của cảm biến PIR và HC-SR04 đồng thời sẽ cho Module sim gửi tin nhắn và gọi đến số điện thoại đã cài đặt, hệ thống motor hạ kính và hệ thống chiếu sáng hoạt động.

54

Hình 5. 4: Tồn bộ hệ thống mơ phỏng bằng Proteus hoạt động

5.2 MƠ HÌNH VẬT LÝ

5.2.1 CODE ARDUINO CHO MƠ HÌNH VẬT LÝ

Tương tự như chương trình mơ phỏng bằng phần mềm Proteus, mơ hình vật lý khi hoạt động cũng cần phải nạp code arduino bằng Arduino IDE cho board Arduino Uno.

55

Sau khi kết nối board Arduino Uno với máy tính bằng cáp USB, ấn vào nút “Upload” trên phần mềm Arduino IDE. “Done uploading” là phần mềm đã được cập nhật cho hệ thống xong.

Hình 5. 6: Kết nối board Arduino Uno với máy tính

5.2.2 HỆ THỐNG HOẠT ĐỘNG

56

Trường hợp 1: Khi tiếp điểm khóa ở vị trí OFF, tài xế ngồi tại vị trí của mình,

giá trị analog của cảm biến FSR402 được Arduino nhận, nên hệ thống cảnh báo không hoạt động.

Hình 5. 8: Giá trị analog của cảm biến FSR402

Trường hợp 2:

57

 Khi cảm biến FSR402 khơng có lực tác dụng, và cảm biến PIR phát hiện được thân nhiệt, cảm biến sóng siêu âm HC-SR04 phát hiện được thay đổi khoảng cách hệ thống cảnh báo sẽ hoạt động.

Hình 5. 10: Hệ thống hoạt động

 Module Sim800L hoạt động và gửi tin nhắn để số điện thoại đã được cài đặt trong phần code.

58

 Còi báo động của hệ thống cũng hoạt động cho đến khi tài xế quay trở lại và tắt hệ thống.

59

CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ KẾT LUẬN 6.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỒ ÁN 6.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỒ ÁN

6.1.1 KẾT QUẢ CỦA ĐỒ ÁN THỰC HIỆN

Vì những lý do khách quan, nên mơ hình vật lý khơng được hồn thành theo đúng kế hoạch, tuy chưa phải là sản phẩm có thể đưa vào sử dụng, nhưng thiết bị vẫn đảm bảo được hoạt động đúng theo nguyên lý hoạt động, các tín hiệu của cảm biến, module phù hợp theo code đã lập trình.

Kết quả thu được khi tiến hành nạp code vào mạch và khảo sát hoạt động thực tế của thiết bị:

 Cảm biến lực FSR402 hoạt động ổn định và nhạy, không bị lỗi, bật tắt relay đúng theo quy định.

 Cảm biến siêu âm HC-SR04 và cảm biến PIR HC-SR501 hoạt động đúng tín hiệu, hoạt động đúng như điều kiện “and” trong code được lập trình.

 Cơ cấu cảnh báo: gửi tin nhắn bằng Module sim, âm thanh phát ra từ còi buzzer hoạt động tốt, liên tục khi nhận được thông tin phù hợp.

6.1.2 KIẾN THỨC THU ĐƯỢC

Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, q trình làm việc chúng tơi đã trau dồi và biết thêm những kiến thức mới, hiểu sâu hơn những kiến thức đa học:

 Biết được cách lập trình Arduino, tổng hợp được chương trình phức tạp từ những chương trình đơn giản, tài liệu từ nhiều nguồn từ các ngôn ngữ khác nhau, giao tiếp Arduino với máy tính nhanh và sử dụng được đa số chức năng của Arudino IDE.

 Hiểu được và áp dụng của một số linh kiện qua trọng trong lĩnh vực tự động như transistor NPN, PNP, diode, relay. Biết được nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến với các tín hiệu khác nhau như: hồng ngoại, sóng siêu âm, lực

 Làm quen với các ứng dụng của IoT vào đời sống, các cách thức nhận và truyền dữ liệu không dây thông qua Module sim.

60

 Nâng cao các kỹ năng mềm: làm việc nhóm, phân chia nhiệm vụ, xây dựng kế hoạch, tìm kiếm tài liệu…

6.2 KẾT LUẬN