Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Theo yêu cầu của đề tài, nhóm tiến hành thiết kế sơ đồ khối của Hệ thống điều

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng từng khối:

 Khối cảm biến: đọc giá trị các đại lượng ánh sáng, mưa, gas, chuyển động,

nhiệt độ và độ ẩm gửi đến khối xử lí trung tâm.

 Khối bảo mật: 2 lớp bảo mật gồm dùng thẻ RFID và bàn phím ma trận để

nhập mật khẩu. Hiển thị trạng thái thơng qua màn hình LCD. Nếu nhập sai mật khẩu nhiều lần sẽ có chng kêu và báo lên hệ thống.

 Khối động cơ servo: thực hiện đóng mở cửa chính và cửa sở bếp.

 Khối cơng suất: đóng cắt relay để bật tắt thiết bị và đảo chiều động cơ để kéo

rèm và sào đồ.

 Khối xử lí trung tâm: điều khiển tồn bộ các hoạt động của hệ thống. Truyền

nhận dữ liệu với khối phụ để xử lí tín hiệu và điều khiển hệ thống. Nhâ ̣n tín hiê ̣u điều khiển từ nút nhấn hoă ̣c lê ̣nh từ Firebase.

 Khối truyền - nhận xử lí dữ liệu: Nhận dữ liệu từ khối xử lí trung tâm và khối cơ sở dữ liệu (Firebase). Đồng thời lấy dữ liệu thời tiết từ internet.

 Khối dự báo thời tiết: Nhận dữ liệu thời tiết từ khối truyền – nhận xử lí dữ

 Khối cơ sở dữ liệu (Firebase): lưu trữ dữ liệu của hệ thống trên Firebase.

 Khối điều khiển – hiển thị qua internet: điều khiển – giám sát thiết bi ̣ qua App và Web.

 Khối trợ lí ảo của Google: điều khiển thiết bi ̣ bằng gio ̣ng nói tiếng Viê ̣t.  Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho tồn mạch. Trong mơ hình sử dụng 2 nguồn:

Nguồn 5VDC cấp cho Arduino Mega, NodeMCU, các module cảm biến, module RFID, module relay, servo. Nguồn 12VDC cấp cho module L298N, đèn và quạt.

Để thiết kế ra một mơ hình đáp ứng đầy đủ u cầu về cơng dụng, tính thẩm mỹ nhóm đã hình thành ý tưởng và phác thảo ra bản vẽ sau đây:

Hình 3.2: Bản thiết kế mơ hình nhà

3.2.2 Tính tốn và thiết kế

Dựa vào bản thiết kế như hình, các thiết bi ̣ sẽ được bố trí như trong bảng 4.1

Phò ng khách

Đèn 1

Quạt 1

Cảm biến DHT11 1

Cảm biến ánh sáng 1

Màn hình Oled 1

Đô ̣ng cơ giảm tốc kéo rèm 1

Nú t nhấn 5 Phò ng ngủ 1 Đèn 1 Quạt 1 Nú t nhấn 2 Phò ng ngủ 2 Đèn 1 Quạt 1 Nú t nhấn 2 Phò ng bếp Đèn 1 Quạt 1

Servo cử a sổ 1

Cảm biến khí gas 1

Nú t nhấn 2

Nhà vê ̣ sinh Đèn 1

Cảm biến chuyển đô ̣ng 1

Hành lang Đèn 1

Cảm biến chuyển đô ̣ng 1

Sân

Màn hình LCD 1

Bàn phím ma trâ ̣n 1

Đầu đo ̣c RFID 1

Chuông báo 1

Cảm biến mưa 1

Đô ̣ng cơ giảm tốc kéo sào 1

3.2.2.1 Thiết kế khối cảm biến

Dựa vào những yêu cầu đă ̣t ra ban đầu, nhóm thiết kế khối cảm biến gồm các cảm biến sau:

a. Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì giá thành thấp và dễ dàng lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 dây. Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp chúng ta có được dữ liệu chính xác mà khơng phải qua bất kỳ tính tốn nào.

Hình 3.3: Module cảm biến DHT11

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 3.3V đến 5V (DC).  Dải nhiệt độ đo: 0°C ~ 50°C, sai số ± 2°C.  Dải độ ẩm đo: 20% - 90% RH, sai số ± 5% RH.

 Tần số lấy mẫu: 1Hz, nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.  Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 dây.

 Dòng tối đa: 2.5mA.

 Kích thước: 28 x 12 x 10 mm.

b. 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 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.

Hình 3.4: Module cảm biến khí gas MQ-2

Thơng số kỹ thuật

 Nguồn hoạt động: 5V  Loại dữ liệu: Analog  Phạm vi phát hiện rộng

 Tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao  Mạch đơn giản

 Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài

c. Cảm biến mưa

Cảm biến mưa sử dụng để phát hiện mực nước, trời mưa, hay các mơi trường có nước. Mạch cảm biến mưa được đặt ngồi trời để kiểm tra trời có mưa khơng, qua đó truyền tín hiệu điều khiển đóng / ngắt rơ le.

Mạch cảm biến mưa gồm 2 bộ phận:

- Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngoài trời. - Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn.

Hình 3.5: Module cảm biến mưa.

 Điện áp: 5V

 Led báo nguồn (Màu xanh)  Led cảnh báo mưa (Màu đỏ)

 Hoạt động dựa trên nguyên lý: Nước rơi vào board sẽ tạo ra môi trường dẫn điện.

 Có 2 dạng tín hiệu: Analog (AO) và Digital (DO)  Dạng tín hiệu: TTL, đầu ra 100mA

 Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.

 Sử dụng LM358 để chuyển AO thành DO  Kích thước: 5.4*4.0mm

 Dày 1.6mm

d. Cảm biến ánh sáng CDS

Cảm biến ánh sáng quang trở CDS có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức tín hiệu giúp cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, Cảm biến ánh sáng này thường dùng để nhận biết, bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường.

Hình 3.6: Module cảm biến ánh sáng.

Thông số kỹ thuật

 Nguồn: 3.3 – 5VDC  Sử dụng quang trở CDS.

 Kích thước nhỏ gọn: 36x16mm  Xuất tín hiệu Digital rất dễ sử dụng.

e. Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501

Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR (Passive infrared sensor) HC-SR501 được sử dụng để phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại (con người, con vật, các vật phát nhiệt,…), cảm biến có thể chỉnh được độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức xạ của vật thể mong muốn, ngoài ra cảm biến cịn có thể điều chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín hiệu bao lâu sau khi kích hoạt) qua biến trở tích hợp sẵn.

Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 có cảm biến, thấu kính và board mạch chất lượng tốt cho độ nhạy và độ bền cao nhất.

Hình 3.7: Module cảm biến chuyển động.

Thông số kỹ thuật

 Phạm vi phát hiện: góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m.  Nhiệt độ hoạt động: 32-122°F (0-50°C)

 Điện áp hoạt động: DC 3.8V – 5V  Mức tiêu thụ dòng: ≤ 50 uA

 Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng biến trở.  Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở.

 Khoảng các phát hiện: 2m -4.5m

 Kích thước: 1,27 x 0,96 x 1.0 (32,2 x 24,3 x 25,4 mm)

f. Nú t nhấn cảm ứng 1 chạm

Cảm ứng 1 chạm điện dung TTP223B mini có kích thước nhỏ gọn và giá thành rẻ, thường được sử dụng trong các ứng dụng cảm ứng điện dung: bàn phím, cơng tắc cảm ứng, báo động, ...

Hình 3.8: Nút nhấn cảm ứng điện dung 1 chạm

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp làm việc: 3 ~ 5VDC  Dòng điện tiêu thụ: 0.025mA

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lí kết nối giữa các module cảm biến với Arduino Mega.

h. Dịng tiêu thụ của khới cảm biến:

 Cảm biến DHT11: IDHT = 2.5mA

 Cảm biến ánh sáng: Iánh sáng = 15mA  Cảm biến mưa: Imưa = 100mA

 Nú t nhấn cảm biến: Ibtn = 11 x 0.025mA = 0.275mA Từ các thơng số trên ta có:

ICảm biến = IDHT + Igas + IPIR + Iánh sáng + Imưa + Ibtn = 2.5 + 180 + 65 + 15 + 100 + 0.275 = 362.755mA

3.2.2.2 Thiết kế khối bảo mật

Khối bảo mật gồm module RFID giao tiếp theo chuẩn SPI, buzzer báo hiê ̣u, bàn phím ma trận 4x4 và module màn hình LCD 16x2 giao tiếp theo chuẩn I2C.

a. Module RFID RC522

Mạch RFID RC522 NFC 13.56 Mhz sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ NFC tần số 13.56mhz, với mức giá cả phù hợp, thiết kế nhỏ gọn, mạch RFID RC522 NFC này là sự lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng về ghi đọc thẻ RFID. Thông số kỹ thuật  Nguồn: 3.3VDC, 13 – 26mA  Dòng ở chế độ chờ: 1013mA  Dòng ở chế độ nghỉ: < 80uA  Tần số sóng mang: 13.56MHz

 Khoảng cách hoạt động: 0 ~ 60mm（mifare1 card）  Giao tiếp: SPI

 Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s

 Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire

Hình 3.10: Sơ đồ chân module RFID.

b. Bàn phím ma trận 4x4

Bàn phím ma trận 4x4 có 4 hàng và 4 cột được thiết kế với giao diện đơn giản giúp dễ dàng giao tiếp với bất kì vi điều khiển nào.

Thông số kỹ thuật

 Độ dài cáp: 88mm.

 Nhiệt độ hoạt động 0 ~ 70oC.  Đầu nối ra 8 chân.

 Kích thước bàn phím 65 x 64mm

c. Màn hình LCD

LCD có thể hiển thị được nhiều thơng tin hơn so với sử dụng led 7 đoạn (chỉ có thể hiện thị được các số từ 0 đến 9 hoặc số hex từ 0 đến F).

LCD hiện nay có rất nhiều dạng phân biệt dựa vào kích thước từ vài kí tự đến hàng chục kí tự, từ 1 hàng đến vài chục hàng. Có 2 dạng LCD phổ biến là LCD 16x2 và LCD 20x4. LCD 16x2 có nghĩa là có 2 hàng mỗi hàng có 16 kí tự. LCD 20x4 có nghĩa là có 4 hàng mỗi hàng gồm 20 kí tự. Nhóm nhóm chọn LCD 16x2 để làm khối hiển thị, LCD 16x2 có hình dáng như hình sau: Hình 3.13: Hình ảnh của LCD 16x2 Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động: 2.7V - 5.5V.

 Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm.  Chữ trắng nền xanh.

 Khoảng cách giữa 2 chân 0.1 inch.  Nhiệt độ hoạt động: -30 - 75 độ C.  Hiển thị 16 ký tự x 2 dịng.

 Ngõ giao tiếp 16 chân.

LCD có nhiều loại và số chân của chúng cũng khác nhau nhưng có 2 loại phổ biến là loại 14 chân và loại 16 chân. Trong đề tài này nhóm sử dụng LCD 16x2 có 16 chân với sơ đồ chân của LCD 16x2 như hình sau:

Hình 3.14: Sơ đồ chân của LCD 16x2 Bảng 3.1. Các chân của LCD. Bảng 3.1. Các chân của LCD.

Thứ tự Tên tín hiệu I/O Mơ tả

1 Vss Nguồn GND

2 VDD Nguồn +5V

3 Vo Điện áp Điều khiển ánh sáng nền

4 RS INPUT Register Select

5 R/W INPUT Read/Write

6 E INPUT Enable(strobe)

8 D1 I/O DATA 9 D2 I/O DATA 10 D3 I/O DATA 11 D4 I/O DATA 12 D5 I/O DATA 13 D6 I/O DATA 14 D7 I/O DATA MSB 15 A I Nguồn dương +5V 16 K I GND

Do LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển vì thế nhóm em chọn Module chuyển đổi I2C cho LCD để dễ dàng kết nối và sử dụng LCD hơn , thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C sử du ̣ng IC mở rô ̣ng I/O PCF8574 qua chuẩn giao tiếp I2C. Hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780 (LCD 1602, LCD 2004, …), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.

Hình 3.16: Các ngõ và ra của module và hình ảnh kết nối thực tế với LCD 16x2

Thông số kĩ thuật

 Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC

 Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)  Giao tiếp: I2C

 Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)  Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)

 Trọng lượng: 5g

 Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt  Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

d. Dịng tiêu thụ của khới bảo mật:

 Module RFID: IRFID = 100mA  Màn hình LCD 16x2: ILCD = 160mA  Buzzer: Ibuzzer = 20mA

Từ các thơng số trên ta có:

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lí kết nối giữa các module RFID, LCD I2C và bàn phím ma trận 4x4 với Arduino Mega.

3.2.2.3 Thiết kế khối động cơ servo

Khối động cơ servo gồm 2 động cơ servo điều khiển cửa ra vào và cửa sổ phòng bếp.

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o. Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau. Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mơ mình), có loại thì sở hữu một momen lực bá đạo (vài chục Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhơng sắc chắc chắn, …

Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio-controlled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển

bằng vơ tuyến, nó chỉ nối với máy thu vơ tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này.

Hình 3.18: Động cơ Servo SG90

Hình 3.19: Cấu ta ̣o bên trong servo

Động cơ servo SG90 là loại servo có thể đảo chiều và điều khiển tốc độ quay. Động cơ có tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ bên trong nên có thể dễ dàng điều khiển góc quay từ 0-1800 bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM.

Thông số kỹ thuật

 Trọng lượng: 9gram

 Tốc độ không tải: 0,12 giây / 60 độ (4,8V)  Mô-men xoắn chặn: 1,2-1,4 kg / cm (4,8V)  Nhiệt độ hoạt động: -30 độ C ~ + 60 độ C  Cài đặt vùng chết: 7 micro giây

 Điện áp làm việc: 4,8V-6V

Dòng điện tiêu thụ của khối servo: Iservo = 2 x 36mA = 72mA

Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lí kết nối giữa 2 servo với Arduino Mega.

3.2.2.4 Thiết kế khối công suất

Khối công suất gồm 2 thành phần: Module relay 5VDC 8 kênh để đóng cắt 4 đèn và 4 quạt, module relay 5VDC 2 kênh để đóng cắt 2 đèn, module L298N điều khiển 2 động cơ DC.

a. Module L298N

L298 là một trình điều khiển tồn cầu kép điện áp cao, hiện tại được thiết kế để chấp nhận các mức và tiêu chuẩn logic logic TTL tải cảm ứng như rơle, solenoids, DC và động cơ bước. Hai đầu vào cho phép được cung cấp để bật hoặc tắt thiết bị một cách độc lập với các tín hiệu đầu vào. Các nguồn phát của các bóng bán dẫn thấp hơn của mỗi cây cầu được kết nối với nhau và thiết bị đầu cuối bên ngồi tương ứng

có thể được sử dụng để kết nối điện trở cảm biến bên ngoài. Một bổ sung đầu vào