Cơ sở lí thuyết về cấu tạo và nguyên lí phát sáng của đèn LED
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của diode bán dẫn
1.1.1 Cấu tạo của diode bán dẫn
Diode bán dẫn là linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện chỉ đi qua theo một chiều nhất định, nhờ vào các tính chất đặc trưng của chất bán dẫn.
Khi ghép hai chất bán dẫn p và n theo một tiếp giáp p-n, chúng ta tạo ra một Diode Tại bề mặt tiếp xúc của lớp tiếp giáp p và n, các điện tử dư thừa trong bán dẫn n sẽ khuếch tán sang vùng bán dẫn p để lấp đầy các lỗ trống, từ đó hình thành một lớp ion trung hòa điện Lớp ion này tạo ra miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.
Hình 1.1: Cấu tạo của Diode
Hình 1.2: Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn
1.1.2 Nguyên tắc hoạt động diode bán dẫn
Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương, khi ghép với khối bán dẫn n có các điện tử tự do, các lỗ trống này sẽ khuếch tán sang khối n Đồng thời, khối p nhận thêm các điện tử từ khối n, dẫn đến việc khối p tích điện âm.
Trong quá trình tương tác giữa các khối tích điện, thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống xảy ra, đặc biệt tại biên giới hai mặt tiếp giáp Tại đây, một số điện tử bị lỗ trống hút và khi chúng tiến gần nhau, có xu hướng kết hợp để tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình kết hợp này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ với bước sóng gần kề, dẫn đến sự hình thành điện áp tiếp xúc.
Điện áp tiếp xúc (U TX) hình thành do sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n, tạo ra một điện trường hướng từ khối n đến khối p, cản trở chuyển động khuếch tán Sau một thời gian ghép hai khối bán dẫn, quá trình khuếch tán dừng lại và điện áp tiếp xúc tồn tại, lúc này tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng Điện áp tiếp xúc trong trạng thái cân bằng khoảng 0,6V cho diode bằng bán dẫn Si và khoảng 0,3V cho diode bằng bán dẫn Ge.
Hai bên mặt tiếp giáp là khu vực mà các điện tử và lỗ trống dễ dàng gặp nhau, dẫn đến quá trình tái hợp diễn ra thường xuyên tại đây, tạo ra các nguyên tử trung hòa.
Vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do, do đó được gọi là vùng nghèo Khu vực này không có khả năng dẫn điện tốt, trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài.
Khi áp dụng điện áp bên ngoài ngược chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của điện tử và lỗ trống diễn ra tự do, tạo ra vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Ngược lại, khi điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán bị cản trở, làm cho vùng nghèo trở nên thiếu hạt dẫn điện Điều này cho thấy diode chỉ cho phép dòng điện đi qua khi điện áp được đặt theo một hướng nhất định, phản ánh nguyên tắc hoạt động cơ bản của diode.
Khi áp dụng điện áp dương vào Anôt và điện áp âm vào Katôt, miền cách điện trong Diode sẽ thu hẹp Khi điện áp giữa hai cực đạt 0,6V (đối với Diode Si) hoặc 0,2V (đối với Diode Ge), miền cách điện giảm xuống bằng 0, cho phép Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp, dòng điện qua Diode sẽ tăng nhanh, nhưng điện áp giữa hai cực vẫn giữ ở mức 0,6V.
Hình 1.3: Mạch phân cực thuận của Diode
Khi diode silicon được phân cực thuận, dòng điện sẽ không chảy nếu điện áp phân cực thấp hơn 0,6V Khi điện áp đạt 0,6V, diode bắt đầu dẫn dòng và dòng điện sẽ tăng nhanh, nhưng điện áp thuận vẫn ổn định ở mức 0,6V.
Khi phân cực ngược cho diode, nguồn (+) được cấp vào katôt (bán dẫn n) và nguồn (-) vào anôt (bán dẫn p) Dưới tác động của điện áp ngược, miền cách điện của diode mở rộng, ngăn chặn dòng điện đi qua mối tiếp giáp.
Hình 1.4: Mạch phân cực ngƣợc của Diode
Hình 1.5: Đường đặc trưng Vôn –Ampe của Diode
Diode có thể chiu đƣợc điện áp ngƣợc rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng Lúc này dòng điện qua diode tăng nhanh và đốt cháy diode
Khi sử dụng diode, cần tuân thủ hai điều kiện quan trọng: dòng điện thuận qua diode không được vượt quá giá trị tối đa cho phép, được cung cấp bởi nhà sản xuất, và điện áp phân cực ngược (UKA) không được lớn hơn VBR, tức ngưỡng đánh thủng của diode Ví dụ, diode 1N4007 có thông số kỹ thuật với VBR là 1000V, IFmax là 1A, và VF là 1.1V khi IF đạt giá trị tối đa.
1.1.3 Ứng dụng của diode bán dẫn trong đời sống
Diode đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử, trong đời sống
Diode chỉnh lưu: Hình dạng to, thuộc oại tiếp mặt, họat động tần số thấp
Diode chỉnh lưu là thiết bị chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều Khi sử dụng, cần chú ý đến hai thông số quan trọng: điện áp ngược cực đại và dòng thuận tối đa của diode Để tăng điện áp ngược, có thể mắc nối tiếp các diode, trong khi để tăng khả năng chịu dòng, có thể mắc song song.
Diode tách sóng là một linh kiện nhỏ gọn thuộc loại tiếp điểm, chuyên hoạt động ở tần số cao Nó không chỉ có chức năng như một diode chỉnh lưu mà còn chủ yếu xử lý tín hiệu nhỏ và tần số cao Diode này có khả năng chịu dòng từ vài mA đến vài chục mA, thường được làm từ vật liệu Ge.
Diode xung là loại diode được thiết kế cho các mạch có tốc độ chuyển trạng thái nhanh và tần số hoạt động cao hơn nhiều so với diode thông thường Trong các thiết bị điện tử hiện đại, nguồn cung cấp điện theo kiểu ngắt mở (switching) tạo ra dòng điện xoay chiều dạng xung với tần số lên tới vài chục ngàn Hz, và diode xung được sử dụng để chỉnh lưu thành điện DC cho máy Trong điện tử số, diode xung có thể thực hiện các chuyển mạch điện tử hai trạng thái: dẫn khi phân cực thuận và ngừng khi phân cực nghịch Hình dạng của diode xung tương tự như diode thông thường, nhưng để phân biệt, cần tham khảo sách tra cứu Ngoài ra, thiết bị xung còn sử dụng diode Schottky, loại diode có cấu tạo khác và tốc độ chuyển trạng thái rất cao.
Hệ thống LED
1.2.1 Lịch sử hình thành LED
LED, viết tắt của Light-Emitting Diode (Diode phát sáng), là nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động Xuất hiện từ những năm đầu thế kỷ 20, công nghệ đèn LED đã tiến bộ vượt bậc, từ những diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến các nguồn sáng đa sắc, công suất lớn và hiệu quả chiếu sáng cao.
Diode bán dẫn phát sáng đầu tiên được phát hiện vào năm 1907 bởi H.J Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông thử nghiệm với tinh thể SiC Sau đó, nhà khoa học Oleg Vladimirovich Losev đã tạo ra đèn LED đầu tiên, nhưng nghiên cứu này đã bị lãng quên do thiếu ứng dụng thực tiễn Đến năm 1955, Rubin Braunstein phát hiện ra sự phát xạ hồng ngoại từ hợp chất GaAs và một số hợp chất bán dẫn khác.
Hình 1.6: Ký hiệu (a), hình dạng LED (b)
Vào năm 1961, Bob Biard và Gary Pittman tại Texas Instruments phát hiện ra rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện, dẫn đến việc cấp bằng sáng chế cho diode phát hồng ngoại Năm 1962, Nick Holonyak Jr phát triển đèn LED phát ánh sáng đỏ đầu tiên tại General Electric Ông sau đó gặp M George Craford, người đã sáng chế ra đèn LED màu vàng có độ sáng gấp 10 lần đèn LED đỏ và cam vào năm 1972 Đến năm 1976, T.P Pearsall tạo ra LED hiệu suất cao ứng dụng trong thông tin liên lạc bằng sợi quang Diode phát quang được sử dụng để thay thế thiết bị chỉ thị bằng bóng sợi đốt và sau này ứng dụng trong tivi, radio, điện thoại, máy tính và đồng hồ Ban đầu, đèn LED chỉ đủ sáng cho mục đích chỉ thị, nhưng với sự phát triển công nghệ, đèn LED có hiệu suất cao đã được phát minh, đáp ứng nhu cầu chiếu sáng hoàn toàn.
1.2.2 Cấu tạo về LED Để tạo ra một sản phẩm LED, về cơ bản cần có các yếu tố và thành phần sau:
Hình 1.7: Một sản phẩm đèn LED
Việc thiết kế sản phẩm đèn LED hoàn chỉnh yêu cầu kiến thức sâu rộng về công nghệ LED, giải nhiệt và đặc tính nguyên vật liệu Thiết kế chiếm 80% quyết định tuổi thọ và chất lượng đèn LED, vì vậy cần được thực hiện bởi các chuyên gia dày dạn kinh nghiệm Các thiết kế phải được kiểm tra theo phương pháp quy chuẩn để đạt được tối ưu nhất Sản phẩm của chúng tôi đảm bảo tuổi thọ tối thiểu 30,000 giờ.
Hình 1.8: Chíp LED và vị trí đặt chip LED
Việc sản xuất chip LED chịu ảnh hưởng lớn từ công nghệ, chất lượng nguyên vật liệu và tuổi thọ của sản phẩm Chúng tôi cung cấp chip LED có tuổi thọ từ 70,000 đến 90,000 giờ Mặc dù chi phí sản xuất chip LED có tuổi thọ cao rất đắt, nhưng những đặc tính như khả năng chịu nhiệt, tạo màu sắc trung thực, độ ổn định màu lâu dài và tuổi thọ cao sẽ mang lại hiệu quả đầu tư vượt trội trong quá trình sử dụng.
Lớp nhôm nguyên chất và các lớp cách điện, dẫn điện cần được thiết kế tỉ mỉ để đảm bảo hiệu suất tản nhiệt và cách điện cho PCB Việc tính toán chiều dày, nguyên vật liệu, và khả năng chịu nhiệt là rất quan trọng Đặc biệt, cấp độ cách điện yêu cầu chuyên gia có kinh nghiệm và các thử nghiệm để đảm bảo PCB tương thích với chip LED và phù hợp với thiết kế tổng thể của sản phẩm.
Hình1.9: Một số PCB tản nhiệt
Các kết cấu tản nhiệt được làm từ nhôm nguyên chất nhằm đảm bảo hiệu suất dẫn nhiệt tối ưu Nhôm nguyên chất không bị biến đổi do nhiệt, khác với nhôm lẫn tạp chất, giúp tái sử dụng hiệu quả trong vòng đời của đèn LED, giảm chi phí cho khách hàng và nhà sản xuất Thiết kế kết cấu tản nhiệt, bao gồm chiều dày, kích thước, dung sai chế tạo, và các yếu tố như khe hở và hướng gió, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả tản nhiệt và tuổi thọ của bóng đèn.
Bộ phận này quyết định hiệu quả phát tán và lượng ánh sáng từ chip LED ra môi trường Chất lượng lens ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ sáng và màu sắc của đèn LED, ngay cả khi công suất là như nhau.
Mỗi đèn LED hoặc cụm đèn LED cần có bộ điều khiển để đảm bảo cung cấp năng lượng đồng đều cho từng bóng ở các vị trí khác nhau trên bản mạch Đồng thời, bộ điều khiển cũng phải cung cấp chế độ dòng phù hợp với chip LED và tốc độ giải nhiệt của thiết kế.
Hình 1.11: Bộ điều khiển LED
Việc ổn định chế độ làm việc của bộ điều khiển giúp các chip LED phát ra ánh sáng ổn định, từ đó tạo ra sự đồng nhất về màu sắc và cường độ ánh sáng trong thời gian dài Để đảm bảo hiệu quả này, cần sử dụng linh kiện điện tử chất lượng cao và có độ ổn định tốt, đồng thời thiết lập chế độ cân bằng tải phù hợp với thiết kế của đèn LED.
1.2.2.6 Mạch in của bộ đèn
Chất lượng mạch in và mối hàn giữa LED với mạch in có ảnh hưởng lớn đến độ bền của đèn, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt Nam Nếu chất lượng mạch in và mối hàn không đạt yêu cầu, dễ dẫn đến hiện tượng oxi-hóa, gây đứt mạch in và làm đèn không thể phát sáng sau một thời gian sử dụng Thực tế, có thể sử dụng mạch in thông thường hoặc mạch in bằng nhôm, gốm để tản nhiệt nhanh cho các loại LED công suất trung bình và lớn.
Bộ nguồn cấp điện cho đèn LED cần cung cấp dòng điện và điện áp ổn định, phù hợp với loại LED đang sử dụng Các linh kiện chế tạo bộ nguồn phải có tuổi thọ tương đương với tuổi thọ của LED Đối với đèn công suất nhỏ, bộ nguồn có thể đơn giản chỉ là một nguồn áp kết hợp với một điện trở hạn dòng, trong khi đối với LED công suất trung bình và lớn, cần thiết phải tạo một nguồn dòng chuyên dụng cho LED.
Hình 1.12: Sơ đồ khối chức năng động học của bộ nguồn
- Trong đó nguồn điện sơ cấp có thể là xoay chiều (từ lưới điện Quốc Gia) hoặc một chiều (từ bình điện hoặc pin năng lƣợng mặt trời)
Bộ biến đổi thực hiện hai chức năng quan trọng: chuyển đổi điện áp một chiều thành dạng phù hợp để cung cấp cho LED và tự động điều chỉnh dòng điện LED theo điện áp trên điện trở sơn dòng Rs, đảm bảo tính chất nguồn dòng Khi nguồn điện sơ cấp là xoay chiều, bộ biến đổi còn bao gồm cả chức năng chỉnh lưu và bộ hiệu chỉnh hệ số công suất hay cosφ.
Để đạt hiệu suất cao, hầu hết các bộ biến đổi hiện nay được thiết kế dựa trên nguyên lý điều chế bề rộng xung Trong quá trình này, điện áp một chiều được chuyển đổi thành một dãy xung, thường là xung dòng, sau đó được nắn và lọc để cung cấp dòng điện một chiều cho các LED.
1.2.2.8 Vỏ đèn Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định và bền, vỏ đèn đƣợc chế tạo để có độ chống thấm nước cao, đồng thời đảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng
Hình 1.13: Một số loại vỏ đèn LED
XÂY DỰNG BỘ THIẾT BỊ CẢNH BÁO MỨC NƯỚC DÂNG TRÊN SÔNG BẰNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CỦA ĐÈN LED
Tổng quan về thiết bị
Sơ đồ khối bộ thiết bị cảnh báo lũ trên sông bằng hệ thống chiếu sáng đèn LED đƣợc mô tả hình 2.1 sau:
Hình 2.1: Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 2.2: Hình ảnh tổng quan thiết bị
2.1.1 Mô tả các chi tiết thiết bị
Các loài vật sử dụng sóng âm để định vị theo nguyên tắc đơn giản, có thể được tóm gọn trong ba bước chính.
Bước 1 Vật chủ phát ra sóng âm
Bước 2 Sóng âm này va chạm với môi trường xung quanh và phản xạ lại
Bước 3 Dựa vào thời gian phát/thu, khoảng cách giữa vật chủ và môi trường xung quanh được tính ra
Khoảng cách truyền sóng âm phụ thuộc vào môi trường, với tốc độ truyền nhanh hơn trong nước và kim loại so với không khí Sóng âm không thể truyền trong chân không Nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ, sóng âm đã được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống, như trong thiết bị định vị dưới biển của tàu ngầm, radar, và các thiết bị đo khoảng cách như đo độ sâu đại dương.
Cảm biến siêu âm RSF05 hoạt động dựa trên nguyên lý sóng âm, bao gồm hai loa phát và thu, cùng với 5 chân kết nối với Arduino Theo thông tin từ nhà sản xuất, tầm hoạt động tối đa của cảm biến này lên đến 5 mét.
Hình 2.3: Cảm biến siêu âm RSF05
Nhƣ chúng ta đã thấy cảm biến RSF05 có 5 chân và các chân có chức năng nhƣ sau:
+ Vcc: cấp nguồn cho cảm biến
+ Trigger: kích hoạt quá trình phát sóng âm Quá trình kích hoạt khi một chu kì điện cao / thấp diễn ra
+ Echo: bình thường sẽ ở trạng thái 0V, được kích hoạt lên 5V ngay khi có tín hiệu trả về, sau đó trở về 0V
+ Gnd: nối với cực âm của mạch
Cách lắp đặt và cài đặt để Arduino tôi sẽ giải thích ở phần khối Arduino
2.1.1.2 Bo mạch kết nối liên kết các khối lại với nhau Để thiết kê đƣợc bo mạch liên kết các khối nhƣ Modul I2C LCD, Modul Wifi, cảm biến…lại với nhau thì chúng ta phải hiểu nguyên lý và chức năng cũng nhƣ nhiệm vụ từng modul để thiết kế các cổng khớp và đúng sơ đồ Để đảm bảo đƣợc mạch mình thiết kế ra chính xác cũng nhƣ đạt đƣợc sự đơn giản khi gắn các linh kiện thì phần mềm tôi lựa chọn để sử dụng đó là phần mềm Altium Designer phiên bản 10.391 vừa nhẹ cho phần cài đặt cũng nhƣ phần thƣ viện không quá nhiều file Máy tính sẽ khởi động nhanh hơn và khi chọn linh kiện sẽ không gặp các lỗi như: Chương trình không đáp ứng, không thể tải thư viện linh kiện…
Hình 2.4: Bo mạch kết nối chính của thiết bị
Để cấp nguồn cho Arduino, chúng ta nên sử dụng bo mạch thay vì cấp trực tiếp qua cổng trên Board Sử dụng IC LM7805 để cung cấp nguồn 5V cho Arduino qua chân VIN và chân 5V Đồng thời, cần kết nối chân GND trên Arduino với chân GND để truyền cho Modul I2C.
Các chân A4 và A5 của Arduino được kết nối với các chân tín hiệu của Modul I2C, trong khi nguồn từ IC LM7805 cung cấp điện cho Modul I2C và cảm biến RSF05 Cảm biến RSF05 có hai chân Echo và Out được nối vào chân 7 và 8 trên Arduino để gửi tín hiệu và cài đặt hoạt động theo chương trình Chân A4 và A5 trên Arduino giao tiếp với chân SDA và SCL để hiển thị các thông số Đồng thời, chân RX và TX có chức năng giao tiếp với Modul Wifi, giúp nhận và xử lý tín hiệu khi kết nối với mạng wifi, từ đó thiết bị có thể hoạt động và nhận thông tin cài đặt từ chương trình Blynk.
Các chân 5, 6, 7 sẽ là các ngõ tín hiệu ra để gữi tín hiệu mở các Transistor
Các rơ le 1, 2, 3 được điều khiển thông qua các mạch thông và ngắt, sử dụng IC LM7805 để cung cấp nguồn cho các rơ le qua các transistor 1, 2, 3 khi chúng được kích hoạt Các LED 1, 2, 3 được kết nối với chân âm từ LM7805 thông qua các điện trở 1K, và chân âm này sẽ nối với các chân ra của transistor 1, 2, 3 Khi rơ le được cấp nguồn, LED sẽ sáng lên, báo hiệu rơ le nào đang hoạt động.
Tôi sử dụng Modul LCD I2C kết hợp với màn hình LCD 20x4 để hiển thị thông tin Màn hình có khả năng hiển thị 20 ký tự trên mỗi hàng và tổng cộng 4 hàng Nội dung hiển thị bao gồm tiêu đề Setup, mức nước hiện tại và các mức tác động trên các rơ le.
- Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H) -Trọng lượng: 5g
- Jump Chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
- Biến trở xoay độ tương phản cho LCD
Với mô-đun I2C, chỉ cần kết nối hai chân SDA và SCL với chân A4 và A5 của Arduino, cùng với nguồn 5V, chúng ta có thể hiển thị thông tin lên màn hình mà không cần sử dụng màn hình LCD riêng biệt.
Khi sử dụng màn hình và thƣ viện giao diện làm việc trên LCD chúng ta phải khai báo cho Arduino các mã lệnh (Phụ lục 1)
Sau khi khai báo các lệnh cần thiết, Modul I2C sẽ được Arduino nhận diện, cho phép giao tiếp để gửi hoặc khai báo thông tin hiển thị trên màn hình LCD.
2.1.1.4 Modul Wifi Ở đây tôi sử dụng Modul Wifi ESP8266 Uart ESP-01
Thông số Modul Wifi ESP8266 Uart ESP-01 nhƣ sau:
- Điện áp sử dụng: 3.3VDC
- Điện áp giao tiếp: 3.3VDC
- Dòng tiêu thụ: Max 320mA (nên sử dụngmodule cấp nguồn riêngcho mạch)
Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ các chuẩn bảo mật nhƣ: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK
Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
Chuẩn giao tiếp UART với Firmware hỗ trợ bộ tập lệnh AT Command, tốc độ Baudrate mặc định 9600 hoặc 115200
Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point Kích thước: 24.8 x 14.3mm
Khi sử dụng mô-đun này, người dùng cần tải ứng dụng điều khiển Blynk từ CH Play hoặc Apple Store Để kết nối với Arduino, cần nạp mã code và đăng ký tài khoản email để nhận mã code, sau đó thêm vào mã nạp cho Arduino Nhờ đó, Arduino sẽ có khả năng giao tiếp, nhận và gửi thông tin thiết lập cũng như theo dõi các mức nước của thiết bị.
Mã code chúng ta sẽ đƣợc nhận nhƣ sau:
Hình 2.7: Mã code nhận đƣợc khi đăng ký sử dụng một tài khoản Modul wifi
Sơ đồ chân của Modul Wifi:
Để kết nối Modul Wifi với mạch Arduino, chúng ta chỉ cần sử dụng chân số 3 (TX) và chân số 4 (RX) để thu phát tín hiệu, giúp Arduino xử lý các giao thức kết nối UART Ngoài ra, chân VCC và chân CH_PD được sử dụng để cấp nguồn cho Modul thông qua IC ổn áp AMS1117, cung cấp 3,3V cho Modul hoạt động.
Mã code thêm vào code Arduino để Arduino có thể giao tiếp với modui
Lưu ý rằng không nên cấp nguồn cho esp8266 v1 bằng nguồn 3.3v từ các mạch như pl2302, cp2102, arduino uno, nano, mega, vì điều này có thể dẫn đến cháy mạch Thay vào đó, hãy sử dụng các mạch nguồn ngoài hoặc module nguồn xung như đã thiết kế Ngoài ra, module còn có khả năng nâng cấp phần mềm để cải thiện tính ổn định khi sử dụng, thông qua việc cập nhật dữ liệu qua chân 7 GPIO0.
Hình 2.9 Sơ đồ cấp nguồn cho mudul Wifi để tránh tình trạng hƣ hỏng
Trên bo mạch chính tôi có sử dụng công tắc 2 nấc để khi nạp code cho
Arduino thì kéo công tắc xuống mức 00, tránh tình trạng nguồn từ Arduino bắt ngƣợc lại cho Modul Wifi gây lỗi hoặc hƣ hỏng
2.1.1.5 Chương trình Blynk tạo giao diện sử dụng setup, giám sát và hiển thị
Trên thiết bị dử dụng hệ điều hành Android hoặc IOS chúng ta sẽ vào cửa hàng tải chương trình với từ khóa Blynk
Hình 2.10: Chương trình Blynk trên cửa hàng ứng dụng IOS
Sau khi bật kết nối internet, hãy đăng nhập vào email mà bạn đã sử dụng khi đăng ký Modul I2C và Modul Wifi Giao diện hiển thị sẽ như hình dưới đây:
Giao diện chương trình Blynk cho phép người dùng cài đặt chiều cao cảm biến so với mặt đất trong vùng “CÀI CHIỀU CAO CỘT” Bên cạnh đó, người dùng có thể thiết lập mức nước cho các rơ le, cụ thể là “TÁC ĐỘNG M1” cho rơ le 1, “TÁC ĐỘNG M2” cho rơ le 2, và “TÁC ĐỘNG M3” cho rơ le 3, khi mức nước vượt qua các ngưỡng cài đặt tương ứng Để thực hiện việc cài đặt các thông số này, bo mạch chính và chương trình cần được kết nối internet để gửi và nhận thông tin.
2.1.1.6 Bo mạch Arduino và mã code để nạp cho thiết bị
Trong mạch này tôi sử dụng bo mạch Arduino R3 (Arduino UNO) là mạch thế hệ thứ 3
Hình 2.12: Bo mạch Arduino R3 (UNO) + Thông số của Arduino R3 nhƣ bảng 2.1 sau:
Bảng 2.1 Thông số của Arduino R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Thí nghiệm khảo sát về thay đổi màu sắc đèn LED theo mức nước
Sau khi lắp các khối lại, nạp code cho Arduino chúng ta sẽ tiến hành thử nghiệm cho thiết bị hoạt động
Cách lắp đặt rất dễ dàng và nhanh chóng, tuy nhiên, giai đoạn nạp code hoặc điều chỉnh thông số ban đầu yêu cầu người thực hiện cần có kiến thức lập trình Trong quá trình này, chúng ta có thể thay đổi tên và mật khẩu Wifi cũng như điều chỉnh mức đo ban đầu và các mức tác động.
Để đảm bảo cảm biến hoạt động tin cậy, việc lắp đặt đúng độ thẳng đứng là rất quan trọng Tất cả các bộ phận của bo mạch cần được bảo vệ khỏi nước để tránh hư hỏng Cảm biến chỉ hoạt động hiệu quả trong khoảng cách từ 0-3 mét Ngoài ra, cần duy trì nguồn điện liên tục cho thiết bị để đảm bảo hoạt động ổn định.
Sau đây sẽ là những hình ảnh thực tế của thiết bị và các mức cảnh báo khi hoạt động ổn định
Hình 2.23: Bo mạch sau khi đã đƣợc nạp code và gắn ảm biến đầy đủ
Hình 2.24: Mạch đƣợc cấp nguồn và bắt đầu kết nối
Hình 2.25: Sau khi đã kết nối và nhận đƣợc dữ liệu setup gốc
Hình 2.26: Trên chương trình Blynk chúng ta bắt đầu cài đặt các thông số mức cảnh báo
Hình 2.27: Màn hình Blynk khi chưa có nước tác động
Khi chưa có tác động, thiết bị sẽ không kích hoạt rơ le nào và thông tin sẽ liên tục được gửi về chương trình Blynk Mỗi 10 giây, cảm biến sẽ thực hiện một chu kỳ phát sóng để mạch xử lý kiểm tra sự xuất hiện của nước dâng lên.
Hình 2.28: Chương trình Blynk thông báo tác động 1
Hình 2.29: Trên thiết bị tác động mức 1
Khi mức nước vượt quá 40 cm, hệ thống sẽ gửi thông báo qua chương trình Blynk, đồng thời thiết bị sẽ bật đèn cảnh báo và hiển thị mức nước hiện tại.
Trên bảng LED sẽ sang ở mức 40cm
Hình 2.30: Đèn LED sáng khi mức nước đạt đến mức cảnh báo 1
Khi mực nước tiếp tục dâng cao đến mức quá 60cm thì trên Blynk sẽ hiển thị
Hình 2.31: Chương trình Blynk thông báo tác động 2
Hình 2.32: Trên thiết bị tác động mức 2
Khi nước đạt mức 2 (60 cm), chương trình Blynk sẽ hiển thị mức nước tương ứng (Hình 2.31) Đồng thời, thiết bị sẽ cho thấy mức nước qua đèn LCD (Hình 2.32) và LED sẽ sáng ở mức thứ 2, tức là trên 60 cm.
Hình 2.33: Mức LED thứ 2 sẽ sáng khi nước đạt trên 60cm
Khi nước tiếp tục dâng cao hơn mức cài đặt 3 là 80cm thì trên Blynk sẽ hiển thị
Hình 2.34: Chương trình Blynk thông báo tác động 3
Hình 2.35: Trên thiết bị tác động mức 3
Khi mức nước đạt 80 cm (mức 3), chương trình Blynk sẽ hiển thị 81 cm, đèn báo mức 3 sẽ sáng, LCD sẽ hiển thị mức nước hiện tại, và bảng LED sẽ phản ánh tình trạng này.
Hình 2.36: Mức cảnh báo thứ 3 sáng khi nước đạt quá 80 cm
Nhận xét: Sau nhiều lần thử nghiệm liên tục thì tôi có nhận xét nhƣ sau:
- Thiết bị hoạt động khác là ổn định và chính xác
- Thiết bị có độ tin cậy và độ nhạy tác động cao
- Tuy nhiên độ trễ để các rơ le hoạt động có thể mất đến 10s khi mức nước thay đổi đột ngột
KẾT LUẬN
Chế tạo bộ thí nghiệm “Cảnh báo mức nước trên sông, suối sử dụng hệ thống chiếu sáng LED” nhằm bảo vệ người dân vùng lũ, đặc biệt là trẻ nhỏ, khỏi nguy cơ bị lũ cuốn Trong khi đèn LED đã được áp dụng rộng rãi tại các khu vực đô thị cho giao thông, việc nâng cao nhận thức về mức nước nguy hiểm khi qua sông suối cũng cần được chú trọng, bởi hàng năm có nhiều trẻ em gặp nạn do không nhận biết được tình hình lũ lụt.
Để đáp ứng nhu cầu thiết thực của người dân vùng ven sông suối, tôi đã lắp ráp thành công bộ thiết bị thí nghiệm có thể triển khai tại những khu vực trũng Bộ thí nghiệm tích hợp này mang lại nhiều ưu điểm khoa học đáng kể.
- Gọn gàng dễ lắp ráp và sử dụng: Sử dụng và điều khiển nhƣ đèn báo giao thông
Sử dụng phần mềm Adruno cho phép thiết lập bo mạch với thuật toán phù hợp, giúp thay đổi các thông số cần thiết tùy thuộc vào mục đích sử dụng thiết bị Người dùng có thể quản lý và điều khiển thiết bị qua internet thông qua smartphone, laptop hoặc máy tính Ngoài ra, phần mềm còn cho phép điều chỉnh mức nước cần cảnh báo một cách linh hoạt.
Sử dụng màn hình LED ma trận hoặc bóng LED để phát tín hiệu là một giải pháp hiệu quả Trong bộ thí nghiệm của tôi, tôi chọn bóng LED để giảm chi phí và tăng tính dễ sử dụng Việc lắp ráp và sửa chữa không yêu cầu người có chuyên môn cao, giúp tiết kiệm thời gian và công sức.
Màn hình LED trong thí nghiệm của tôi hiển thị chính xác chiều cao mức nước khi nhận tín hiệu từ bo mạch, đồng thời cung cấp cảnh báo cần thiết cho người dân khi di chuyển qua sông suối.
Nguồn năng lượng mặt trời cung cấp điện cho thiết bị, cho phép hoạt động hiệu quả ở những khu vực hẻo lánh, xa xôi mà không có điện lưới hoặc trong trường hợp mất điện.