Thiết kế hộp điều khiển thiết bị trong nhà

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, nhu cầu cuộc sống ngày càng cao, đòi hỏi sự hỗ trợ tốt hơn Từ những nhu cầu thực tế này, ý tưởng thiết kế hộp điều khiển các thiết bị trong nhà đã ra đời Giải pháp này mang đến sự linh hoạt và tự động, giúp con người quản lý và giám sát toàn bộ hệ thống ngay cả khi không có mặt tại nhà.

Nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, nhóm đã chọn thực hiện đề tài “Thiết kế hộp điều khiển thiết bị trong nhà” Hệ thống này cho phép giám sát nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời điều khiển các thiết bị dễ dàng qua WiFi, mang lại sự tiện lợi cho cuộc sống hiện đại.

MỤC TIÊU

Hệ thống thiết kế hộp điều khiển thiết bị điện qua ứng dụng trên điện thoại Android thông qua mạng WiFi, cho phép người dùng dễ dàng quản lý và giám sát các thiết bị Ngoài ra, hệ thống còn có chức năng giám sát nhiệt độ và độ ẩm, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người sử dụng.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Tìm hiểu các nguồn tài liệu

 Thu thập thông tin về đề tài có liên quan

 Các giải pháp thiết kế hệ thống

Khi thiết kế hệ thống, việc lựa chọn các thiết bị phù hợp là rất quan trọng, bao gồm vi điều khiển, các module giao tiếp như WiFi, relay để đóng ngắt, cùng với các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và dòng điện.

 Tìm hiểu các chuẩn truyền thông UART, I2C, SPI

 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát qua điện thoại

 Thiết kế, tính toán dòng, công suất mạch nguồn

 Thiết kế, tính toán hệ thống điều khiển

 Liệt kê, phân tích các chức năng, khả năng tích hợp của hệ thống

 Thiết kế, thi công bộ xử lý trung tâm

 Vẽ lưu đồ thuật toán

 Viết chương trình cho bộ xử lý trung tâm

 Chỉnh sửa các lỗi xuất hiện

 Đánh giá kết quả thực hiện

 Viết báo cáo luận văn

 Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

GIỚI HẠN

Đề tài “THIẾT KẾ HỘP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ” có những giới hạn như sau:

 Thi công mô hình ngôi nhà

 Phạm vi sử dụng trong căn phòng hoặc ngôi nhà

 Hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm và mực nước trong bể lên màn hình LCD 20x4

 Hệ thống an ninh với RFID có cảnh báo khi thẻ quét bị sai quá số lần qui định

 Kết nối internet không giới hạn khoảng cách

 Điều khiển đóng cắt 4 thiết bị công suất thấp: đèn, quạt

 Tự động điều khiển bật máy bơm theo lượng nước trong bể

 Giám sát và điều khiển thiết bị qua điện thoại

 Gửi dữ liệu (trạng thái thiết bị, nhiệt độ, độ ẩm) lên Database.

BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan: Chương này trình bày đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết: Giới thiệu các thiết bị, module được sử dụng như: Arduino Mega, module ESP8266 NodeMCU, các chuẩn truyền dữ liệu,

Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán: Trong chương này, nhóm thực hiện thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ thống và thực hiện tính toán, thiết kế các khối

Chương 4: Thi Công Hệ Thống: Chương này trình bày về thi công mạch, vẽ lưu đồ giải thuật và viết chương trình Thi công mô hình hệ thống hoàn chỉnh

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá: Đưa ra kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, hình ảnh của hệ thống, nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống

Chương 6: Kết Luận: Kết luận về hệ thống những phần đã làm và chưa làm, đồng thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống trong tương lai.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN, MODULE

2.1.1 Các linh kiện, module cảm biến

2.1.1.1 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm:

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm không khí như DHT1, DHT21, nhưng nhóm quyết định chọn cảm biến DHT11 do tính phổ biến và giá cả phải chăng, phù hợp cho việc học tập và nghiên cứu.

Ngoài ra có thể sử dụng các linh kiện tương tự như: cảm biến LM35, DS18B20 để đo nhiệt độ hoặc các module cảm biến khác

 Module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 [11]

Cảm biến độ ẩm DHT11 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng thu thập dữ liệu cơ bản, bao gồm hai thành phần chính: một cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt.

Cảm biến DHT cung cấp dữ liệu ngõ ra dạng số, tương thích với mọi vi điều khiển để thu thập thông tin Thiết bị này có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng từ 0 đến 50 độ C và độ ẩm từ 20% đến 90%.

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật DHT 11

STT Thông số Giá trị Độ chính xác Đơn vị

3 Tần số lấy mẫu 1 Hz

Hình 2.2 Kết nối DHT 11 và MCU Hoạt động:

Hình 2.3 Sơ đồ tín hiệu cảm biến DHT11

Khi không có dữ liệu, đường dây tín hiệu duy trì ở mức cao Để đọc giá trị, MCU sẽ gửi tín hiệu bắt đầu bằng cách kéo đường dây tín hiệu xuống mức thấp trong 18 micro giây, sau đó trở lại mức cao trong khoảng 20 đến 40 micro giây để chờ phản hồi từ DHT.

Khi DHT nhận tín hiệu bắt đầu, nó sẽ phản hồi bằng cách giảm mức tín hiệu xuống dưới 80 às, sau đó tăng trở lại mức cao trên 80 às để chuẩn bị cho việc truyền các bit dữ liệu.

Mỗi bit dữ liệu bắt đầu với 50 micro giây ở mức thấp, sau đó thời gian ở mức cao sẽ xác định giá trị của bit đó là 0 hay 1 Cụ thể, với bit 0, thời gian ở mức cao là từ 26 đến 28 micro giây, trong khi với bit 1, thời gian này sẽ khác.

70 às Quỏ trỡnh này lặp lại cho đến khi gửi đủ 5 byte dữ liệu

Byte 0: chứa phần nguyên của độ ẩm

Byte 1: chứa phần thập phân của độ ẩm (luôn bằng 0)

Byte 2: chứa phần nguyên của nhiệt độ

Byte 3: chứa phần thập phân của nhiệt độ (luôn bằng 0)

Byte 4: Check sum kiểm tra tổng số byte đã truyền có đủ chưa

Giới thiệu thư viện sử dụng:

Thư viện DHT cho phép Arduino giao tiếp hiệu quả với các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, bao gồm DHT11, DHT21 và DHT22.

Một số hàm của thư viện:

Bảng 2.2 Một số hàm của thư viện DHT

STT Hàm Tham số Chức năng

S = false: đọc độ C Đọc nhiệt độ

3 convertCtoF(value) Value: giá trị cẩn chuyển đổi Chuyển đổi độ C sang độ F

2.1.1.2 Module cảm biến siêu âm HC-SR04

2.1.1.2.1 Giới thiệu sóng siêu âm

Siêu âm là âm thanh có tần số vượt quá 20 kHz, ngưỡng tối đa mà tai người có thể nghe được Ngược lại, hạ âm là âm thanh có tần số dưới 20 Hz, không thể nghe thấy bởi tai người Siêu âm có khả năng lan truyền qua nhiều môi trường như không khí, chất lỏng và rắn, với tốc độ tương đương với tốc độ âm thanh.

2.1.1.2.2 Giới thiệu module cảm biến siêu âm HC-SR04 [12]

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một thiết bị phổ biến để đo khoảng cách nhờ vào giá thành hợp lý và độ chính xác cao Thiết bị này sử dụng sóng siêu âm để xác định khoảng cách trong khoảng từ 3 đến 400 cm, với độ chính xác chủ yếu phụ thuộc vào cách lập trình.

Hình 2.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SR04

Giá trị Độ chính xác Đơn vị Min Typical Max

3 Tần số sóng siêu âm 40 kHz

Khi cấp xung có độ dài 10µs vào chân Trigger, cảm biến phát ra 8 chu kỳ sóng âm với tần số 40 kHz và kéo chân Echo lên mức cao Sóng âm sẽ phản xạ khi chạm vào vật cản, khiến chân Echo xuống mức thấp khi nhận được sóng âm phản xạ Khoảng cách từ cảm biến đến vật có thể được tính dựa vào độ rộng xung ở chân Echo.

Hình 2.5 Hoạt động của cảm biến siêu âm

Hình 2.6 Dạng sóng ở các chân cảm biến

Quãng đường sóng âm di chuyển là 2r (cm)

Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340 (m/s) Do đó thời gian để sóng âm di chuyển 1 cm là:

= 29.412 (às) Thời gian từ lỳc súng õm được phỏt ra và phản hồi về là t (às)

Vậy khoảng cách từ cảm biến đến vật là: r = , (cm) 2.1.2 Màn hình LCD 20x4 [13]

Trên thị trường có nhiều loại LCD như LCD text, LCD Graphic, LCD TFT,

Mỗi loại màn hình LCD có chức năng riêng biệt: LCD text chủ yếu hiển thị ký tự và số, trong khi LCD Graphic có khả năng hiển thị cả ký tự, ký hiệu phức tạp và hình ảnh đơn sắc Đặc biệt, LCD TFT có thể hiển thị ký tự, số và hình ảnh đa sắc, mang đến trải nghiệm hình ảnh phong phú hơn.

Nhóm chúng tôi đã chọn sử dụng LCD 20x4 cho khối hiển thị, vì nó có khả năng hiển thị nhiều thông tin hơn so với các loại LCD khác như LCD 8x2 và LCD 16x2 Việc lựa chọn này giúp đảm bảo rằng tất cả thông tin cần thiết sẽ được trình bày một cách rõ ràng và hiệu quả.

Hình 2.7 LCD 20x4 Thông số kỹ thuật:

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật LCD 20 x 4

STT Thông số Giá trị Đơn vị

2 Dòng điện tiêu thụ 2.5 4 mA

3 Ngõ vào mức cao 2.2 VDD V

Bảng 2.5 Chức năng các chân LCD 20 x 4

STT Ký hiệu Chức năng Ghi chú

2 VDD Nối nguồn cung cấp

3 VE Điều chỉnh độ tương phản

- Chế độ ghi: D0 – D7 nối với thanh ghi lệnh IR

- Chế độ đọc: D0 – D7 nối với bộ đếm địa chỉ

 Mức 1: D0 – D7 nối với thanh ghi dữ liệu DR

5 R/W Chọn chế độ đọc ghi  Mức 0: chế độ ghi

Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi khi phát hiện một xung cạnh xuống của tín hiệu chân E

Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra D0 - D7 khi phát hiện xung cạnh lên ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

15 A Nguồn dương cho đèn nền

16 K Nguồn âm cho đèn nền

Giới thiệu thư viện sử dụng:

Thư viện được sử dụng là thư viện LiquidCrystal_I2C Thư viện này giúp cho Arduino có thể giao tiếp với LCD thông qua giao thức I2C

Một số hàm của thư viện:

Bảng 2.6 Một số hàm trong thư viện LiquidCrystal_I2C

STT Hàm Tham số Chức năng

Addr: Địa chỉ của LCD Cols: Số cột

Khởi tạo một đối tượng LCD

5 setCursor(Col,Row) Col: Vị trí cột

Di chuyển con trỏ đến vị trí đã được chọn

6 print(Content) Content: Nội dung Hiển thị nội dung

2.1.3 Module chuyển đổi I2C cho LCD Để vi điều khiển có thể giao tiếp trực tiếp với LCD thì sẽ cần tối thiểu 6 chân để kết nối (RS, EN, D7, D6, D5 và D4), việc này làm cho số lượng chân có thể sử dụng của vi điều khiển bị giảm đi

Bằng việc sử dụng module chuyển đổi I2C cho LCD ta có thể tiết kiệm được số lượng chân cần thiết để giao tiếp (chỉ cần 2 chân SCL, SDA)

Hình 2.8 Module chuyển đổi I2C cho LCD Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 2.5 - 6V DC

 Hỗ trợ màn hình sử dụng driver HD44780

 Địa chỉ mặc định: 0x27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân

 Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

Arduino là nền tảng phần cứng mã nguồn mở dành cho các dự án điện tử, ra đời tại Ivrea, Ý Được đặt tên theo vua Arduino của thế kỷ 9, nền tảng này được giới thiệu chính thức vào năm 2005 bởi giáo sư Massimo Banzi tại trường Interaction Design Institute Ivrea (IDII) Arduino phục vụ như một công cụ hỗ trợ cho sinh viên trong việc phát triển ứng dụng mạch điện tử.

Arduino là một mạch vi điều khiển sử dụng bộ xử lý Atmel 8 bit hoặc 32 bit, cho phép lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ và đèn qua ngôn ngữ C/C++ Với tính chất nguồn mở từ phần cứng đến phần mềm, Arduino cung cấp môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình dễ học, ngay cả với những người không có nhiều kiến thức về điện tử Hơn nữa, mức giá thấp của Arduino làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho sinh viên.

CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU

UART là một giao thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ, thường được tích hợp trong các mạch điện Chức năng chính của UART là truyền tín hiệu giữa các thiết bị như Laptop và Modem, hoặc giữa các vi điều khiển với nhau.

Hình 2.24 Truyền dữ liệu sử dụng giao thức UART

Tốc độ Baud (baud rate) là một yếu tố quan trọng trong truyền nhận không đồng bộ, giúp hai module giao tiếp hiệu quả Để đảm bảo sự hiểu biết lẫn nhau, cần quy định thời gian cho việc truyền nhận mỗi bit, do đó tốc độ phải được cài đặt trước khi bắt đầu Theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit được truyền trong một giây.

Khung truyền (frame) trong kiểu truyền thông nối tiếp được thiết kế để giảm thiểu mất mát dữ liệu, bên cạnh việc đảm bảo tốc độ truyền Khung này quy định số bit trong mỗi lần truyền, bao gồm các bit báo hiệu như start và stop, cùng với các bit kiểm tra như parity, và số bit trong dữ liệu.

Bit Start là tín hiệu khởi đầu trong khung truyền bit, giúp thiết bị nhận biết sự bắt đầu của quá trình truyền Trên AVR, bit Start có trạng thái là 0.

Data: Dữ liệu cần truyền Data không nhất thiết phải 8 bit có thể là 5, 6, 7, 8, 9 Trong UART bit LSB được truyền đi trước, Bit MSB được truyền đi sau

Bit parity là một phương pháp kiểm tra tính chính xác của dữ liệu, bao gồm hai loại: parity chẵn và parity lẻ Parity chẵn được thêm vào để đảm bảo rằng tổng số bit 1 trong dữ liệu cộng với bit parity là một số chẵn.

= chẵn parity lẻ là bit parity thêm vào để số 1 trong data + parity = lẻ Bit Parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc không

Stop: là bit báo cáo kết thúc khung truyền, thường là mức 5V Và có thể có 1 hoặc 2 stop

2.2.2 Chuẩn giao tiếp I2C Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển

Hình 2.25 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi Đặc điểm giao tiếp I2C:

Giao tiếp I2C sử dụng hai dây chính: Dữ liệu tuần tự (SDA) và Xung đồng hồ tuần tự (SCL) Trong đó, SDA cho phép truyền dữ liệu hai chiều, trong khi SCL chỉ hỗ trợ truyền tín hiệu đồng hồ theo một chiều Khi thiết bị ngoại vi kết nối vào bus I2C, chân SDA của thiết bị sẽ được nối với dây SDA của bus và chân SCL sẽ kết nối với dây SCL.

Mỗi dây SDA và SCL trong giao tiếp I2C đều được kết nối với điện áp dương thông qua một điện trở kéo lên (pullup resistor), điều này là cần thiết vì chân giao tiếp của các thiết bị ngoại vi thường có dạng cực máng hở (opendrain hay opencollector) Giá trị của các điện trở kéo này thay đổi tùy thuộc vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường nằm trong khoảng từ 1k đến 4.7k.

Chế độ hoạt động (tốc độ truyền):

Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ, hay nói cách khác các dữ liệu trên bus I2C có thể được truyền trong ba chế độ khác nhau

- Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode)

- Chế độ nhanh (Fast mode)

- Chế độ cao tốc (High-Speed mode)

Trình tự truyền bit trên đường truyền:

Hình 2.26 Trình tự truyền bit trên dường truyền

- Thiết bị chủ tạo một điều kiện start Điều kiện này thông báo cho tất cả các thiết bị tớ lắng nghe dữ liệu trên đường truyền

Thiết bị chủ gửi địa chỉ của thiết bị tớ mà nó muốn giao tiếp cùng với cờ đọc/ghi dữ liệu Nếu cờ được thiết lập lên 1, byte tiếp theo sẽ được truyền từ thiết bị tớ đến thiết bị chủ Ngược lại, nếu cờ thiết lập xuống 0, byte tiếp theo sẽ được truyền từ thiết bị chủ đến thiết bị tớ.

- Khi thiết bị tớ trên bus I2C có địa chỉ đúng với địa chỉ mà thiết bị chủ gửi sẽ phản hồi lại bằng một xung ACK

Giao tiếp giữa thiết bị chủ và tớ trên bus dữ liệu diễn ra khi cả hai bên có thể nhận hoặc truyền dữ liệu, tùy thuộc vào chế độ truyền thông là đọc hay viết Bộ truyền sẽ gửi 8 bit dữ liệu đến bộ nhận, sau đó bộ nhận sẽ phản hồi bằng một bit ACK.

- Để kết thúc quá trình giao tiếp, thiết bị chủ tạo ra một điều kiện stop Điều kiện START và STOP (START and STOP conditions)

Trong giao tiếp trên bus I2C, hai điều kiện thiết yếu là START và STOP START đánh dấu sự khởi đầu của quá trình giao tiếp, trong khi STOP chỉ ra sự kết thúc Hình dưới đây minh họa rõ ràng các điều kiện này.

Khi bắt đầu quá trình giao tiếp I2C, cả hai đường SDA và SCL đều ở mức cao (SDA = SCL = HIGH), lúc này bus I2C được xem là rỗi ("bus free") và sẵn sàng cho giao tiếp Hai điều kiện START và STOP là cần thiết trong việc giao tiếp giữa các thiết bị I2C.

Điều kiện START trong giao thức I2C được xác định bởi sự chuyển đổi trạng thái từ cao xuống thấp trên đường SDA khi đường SCL đang ở mức cao, trong khi điều kiện STOP là sự chuyển đổi từ mức thấp lên cao trên đường SDA cũng khi đường SCL ở mức cao Cả hai điều kiện này đều được khởi tạo bởi thiết bị chủ Sau khi nhận tín hiệu START, bus I2C sẽ ở trạng thái làm việc (busy) và chỉ trở nên rỗi, sẵn sàng cho giao tiếp mới sau khi nhận tín hiệu STOP từ thiết bị chủ.

Sau khi nhận tín hiệu START, bus I2C sẽ tiếp tục hoạt động bận nếu có tín hiệu START lặp lại thay vì tín hiệu STOP Cả tín hiệu START và tín hiệu START lặp lại (Repeated START) đều có chức năng khởi tạo một giao tiếp trong quá trình truyền dữ liệu.

Mỗi xung clock truyền một bit dữ liệu, với mức tín hiệu SDA chỉ thay đổi khi xung clock ở mức thấp và ổn định khi ở mức cao Thiết bị có thể lấy mẫu dữ liệu khi xung clock đạt mức cao.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Theo yêu cầu đặt ra nhóm đã hoàn thành sơ đồ khối của hệ thống như sau:

KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM

Khối hiển thị Module WIFI Đèn 1 Cảm biến 1

CB nhiệt độ và độ ẩm

Module RFID Động cơ đóng mở cửa BUZZER

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

 Khối xử lý trung tâm: Tạo ra lệnh điều khiển, nhận tín hiệu từ cảm biến tiến hành xử lí và gửi tín hiệu điều khiển ngõ ra

 Khối hiển thị: hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm, mực nước

 Khối cảm biến: đọc giá trị và gởi về cho khối xử lý trung tâm để xử lý

 Khối điều khiển: cho phép điều khiển thiết bị ngõ ra trực tiếp thông qua các nút nhấn

Khối an ninh cho phép đóng mở cửa khi người dùng quét thẻ, đồng thời hiển thị các chức năng như thêm, xóa thẻ hoặc đổi mật khẩu Hệ thống cũng cung cấp cảnh báo khi số lần quét thẻ sai vượt quá giới hạn cho phép.

 Có cảnh báo khi xảy ra cháy hoặc quét sai thẻ

 Khối động cơ đóng mở cửa: Kéo cửa khi người dùng quét đúng thẻ

 Khối ngõ ra công suất: Đóng ngắt các tiếp điểm theo sự điều khiển của khối xử lý trung tâm để điều khiển thiết bị điện áp cao (220V)

 Khối gửi – nhận dữ liệu: Trao đổi dữ liệu với database

 Khối Database: lưu trữ dữ liệu

 Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động

Khi hệ thống được cấp nguồn, các cảm biến sẽ ghi nhận thông số như nhiệt độ, mực nước và trạng thái nút nhấn, sau đó gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm để điều khiển thiết bị đầu ra và hiển thị thông tin Hệ thống cũng đọc thẻ RFID khi người dùng đăng nhập để kiểm soát việc mở và đóng cửa cùng với buzzer Khối xử lý trung tâm còn giao tiếp với Module WiFi để gửi và nhận dữ liệu lên Database.

3.1.2.1 Thiết kế khối cảm biến

Các thông số cần đo đạt :

 Đo giá trị nhiệt độ, độ ẩm của không khí

 Đo mực nước trong bể

 Nhiệt kế bức xạ (Hỏa kế - pyrometer)

Nhóm đã quyết định chọn cảm biến bán dẫn do tính kinh tế, dễ chế tạo, độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu tốt và mạch xử lý đơn giản Trong số các loại cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm phổ biến trên thị trường như DHT21 và DHT11, nhóm đã lựa chọn Module cảm biến DHT11 Cảm biến này được ưa chuộng vì giá thành hợp lý, khả năng đo nhiệt độ và độ ẩm chính xác, phù hợp cho mục đích học tập và nghiên cứu.

Phương pháp xác định khoảng cách khi sử dụng cảm biến:

Do yêu cầu đo mực nước trong bể, nhóm đã quyết định sử dụng cảm biến siêu âm Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại cảm biến siêu âm phục vụ cho mục đích đo khoảng cách, chẳng hạn như cảm biến SRF.

05, YH-SRF05, HC-SR04, nhóm lựa chọn Module cảm biến siêu âm HC-SR04 để sử dụng vì nhỏ gọn, giá thành rẻ, đo khoảng cách chính xác

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Mega với các cảm biến

- Cảm biến HC-SR04: I = 2mA

Từ các thông số trên ta có: I = I + I = 2.5 + 2 = 4.5mA

3.1.2.2 Thiết kế khối hiển thị

Hệ thống cửa được thiết kế để hiển thị thông tin và thực hiện các tác vụ khi người dùng tương tác Các nút nhấn trên hệ thống cho phép người dùng thực hiện các thao tác như thêm và xóa thẻ cho khối an ninh một cách dễ dàng.

Có nhiều phương án để xây dựng khối hiển thị cho hệ thống như:

+ Màn hình hiển thị các kí tự: LCD

+ Màn hình hiển thị được kí tự, màu chữ, touch: TFT-LCD

Nhóm đã quyết định sử dụng màn hình LCD để xây dựng khối hiển thị, vì yêu cầu chính là hiển thị thông tin và ký tự Trong số nhiều loại màn hình trên thị trường, màn hình LCD 20x4 được lựa chọn do đáp ứng đầy đủ yêu cầu hiển thị, có giá thành hợp lý và phù hợp cho nhu cầu học tập cũng như nghiên cứu.

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa Arduino Mega với LCD 20x4

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa Arduino Mega với Button control LCD

 Tính toán: Điện áp sử dụng: 5V

Dòng điện tiêu thụ: 24mA

Nhóm sử dụng Module I2C để giao tiếp giữa Arduino với LCD 20x4

3.1.2.3 Thiết kế khối điều khiển

Có thể điều khiển thiết bị ngõ ra một cách trực tiếp, độc lập

Để xây dựng khối điều khiển cho hệ thống, yêu cầu điều khiển thiết bị ngõ ra trực tiếp thông qua nhóm nút nhấn Trên thị trường hiện có đa dạng loại nút nhấn, đáp ứng nhu cầu sử dụng khác nhau.

2 chân, nút nhấn 4 chân, Nhóm chọn sử dụng nút nhấn 4 chân vì nó kích cỡ nhỏ gọn, tiện dụng, giá thành rẻ, đáp ứng được yêu cầu sử dụng

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Mega với nút nhấn

 Tính toán: Điện áp sử dụng: 5V

Dòng điện tiêu thụ: 0.5mA

Nhóm sử dụng 6 nút nhấn nên tổng dòng tiêu thụ là 3mA

Tính toán điện trở kéo lên cho mỗi nút nhấn:

3.1.2.4 Thiết kế khối an ninh

Khối an ninh tích hợp cho hệ thống cửa chính, đảm bảo tình bảo mật và an toàn cho ngôi nhà

+ Module cảm biến vân tay

Nhóm đã quyết định sử dụng Module RFID RC522 và còi báo Buzzer 5VDC cho dự án của mình Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Module RFID như RFID NFC và RFID RC522, nhưng nhóm chọn RC522 vì kích thước nhỏ gọn, giá cả phải chăng và khả năng đáp ứng tốt nhu cầu của dự án.

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Arduino và module RFID

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối Arduino với Buzzer

 Tính toán: Đầu đọc thẻ RFID RC522 hoạt động ở mức điện áp 3.3V, dòng tiêu thụ 100mA Còi báo hoạt động ở mức điện áp 5V, dòng tiêu thụ 22mA

Transistor NPN Q1 phải thỏa các điều kiện:

Nhóm em đã chọn transistor C1815, một loại transistor NPN phổ biến và cơ bản trên thị trường Loại transistor này đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về dòng điện và điện áp cần thiết để kích hoạt buzzer.

 Tính toán giá trị điện trở R14:

Ta có: IC = Ibuzzer = 22 mA β = 120 Để transistor bão hòa sâu, ta chọn β = ( ÷ ) β = 40

Khi transistor Q1 ở chế độ bão hòa:

Theo định luật K2 ta có:

3.1.2.5 Thiết kế khối động cơ Servo SG92

Là cơ cấu thực thi đóng mở cửa cho khối an ninh

+ Động cơ DC với cơ cấu bánh răng

+ Động cơ Servo thay đổi góc quay đóng mở cửa

Nhóm sử dụng động cơ Servo SG92 để làm cơ cấu thực thi vì nó tiện dụng, rẻ tiền, phù hợp cho việc nghiên cứu, học tâp

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Arduino Mega với Servo SG92 3.1.2.6 Thiết kế khối ngõ ra công suất

Theo yêu cầu điều khiển ngõ ra các thiết bị 220VAC, có cách ly giữa chênh lệch mức điện áp, công suất

+ Điều khiển dùng Relay đóng cắt

Nhóm đã chọn sử dụng Relay 5V để điều khiển thiết bị ngõ ra với cách ly điện áp, vì nó đáp ứng tốt yêu cầu về kích thước nhỏ gọn và chi phí hợp lý.

Hình 3.9 Sơ đồ mạch điều khiển relay

 Tính giá trị điện trở R37:

Ta gọi dòng điện đi qua R37 là I

Ta có: Dòng điện tối đa của ngõ vào Opto là 50mA

Dòng điện tối đa của ngõ ra vi điều khiển là 20mA

Do đó: Iopto < 20 mA Ta chọn Iopto = 10mA

Theo định luật K2 ta có phương trình:

Từ (3.2), ta suy ra điện trở R37

Do dòng điện ngõ ra Opto nhỏ (