Bài 3: Dự Án: Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Cảnh Báo Tự Động Trong Gia Đình | Chuyên đề học tập Công nghệ 12 (Công nghệ Điện - Điện Tử) | Chuyên Đề 1: Thiết Kế Hệ Thống Cảnh Báo Trong Gia Đình - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 13)

Sau khi học xong bài này, em sẽ:

Thiết kế, chế tạo được một hệ thống cảnh báo trong gia đình.

I - GIỚI THIỆU

Hệ thống cảnh báo tự động trong gia đình có thể có nhiều chức năng và mức độ phức tạp. Khác nhau về phát hiện, cảnh báo các tình huống gây mất an ninh, an toàn.

Trong dự án này, học sinh sẽ tìm hiểu về quy trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một hệ thống cảnh báo tự động đơn giản. Thực hiện các chức năng như: cảnh báo phát hiện mở cửa, cảnh báo cháy, cảnh báo quá công suất điện,... Hệ thống này sử dụng một bo mạch vi điều khiển làm khối xử lí trung tâm, một số loại cảm biến thông dụng (tự cảm biến phát hiện mở cửa, cảm biến nhiệt độ, cảm biến báo khói, cảm biến phát hiện quá dòng điện,...) và còi buzzer làm còi báo động.

Phần nâng cao, học sinh có thể tìm hiểu để kết nối hệ thống với module GSM cho phép nhắn tin cảnh báo tới người dùng thông qua ứng dụng trên điện thoại di động.

II - NHIỆM VỤ

Thiết kế và chế tạo một hệ thống cảnh báo tự động đơn giản trong gia đình để cảnh báo một trong các tình huống sau:

- Cảnh báo phát hiện mở cửa.

- Cảnh báo cháy.

- Cảnh báo quá công suất điện.

III - TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN

1. Phân tích yêu cầu của hệ thống cảnh báo tự động dể lên phương án thiết kế

2. Thiết kế hệ thống

- Vẽ sơ đồ hệ thống

- Lựa chọn vật tư, linh kiện

- Vẽ lưu đồ thuật toán

3. Thực thi

- Phần cứng: lắp ráp, kết nối các linh kiện

- Phần mềm: viết chương trình, biên dịch và nạp cho hệ thống

4. Thử nghiệm, đánh giá hệ thống

- Kiểm tra lại kết nối và nguồn trước khi vận hành hệ thống

- Thử nghiệm, vận hành và hiệu chỉnh hệ thống

5. Báo cáo kết quả: Viết báo cáo kết quả thực hiện các công việc từ 1 đến 4.

(Trang 14)

IV - ĐÁNH GIÁ

1. Tiêu chí đánh giá kết quả dự án

Kết quả thực hiện dự án được đánh giá theo các tiêu chí trong Bảng 3.1:

Bảng 3.1

Ghi chú:

- Cấp độ đánh giá thể hiện mức độ đáp ứng của tiêu chí, tăng từ 1 đến 5.

- Giáo viên quy định trọng số của các tiêu chí để làm cơ sở xác định kết quả thực hiện dự án của học sinh.

2. Phương thức đánh giá

- Học sinh tự đánh giá.

- Các nhóm đánh giá chéo.

- Giáo viên đánh giá.

(Trang 15)

V - HỌC SINH TỰ BỔ TRỢ

Học sinh có thể tham khảo một thiết kế mẫu cho hệ thống cảnh báo tự động phát hiện mở cửa. Trình tự thực hiện như sau:

1. Phân tích yêu cầu hệ thống

Yêu cầu của hệ thống: phát hiện mở cửa (cửa ra vào, cửa sổ, cửa tủ,...) và phát cảnh báo bằng còi và đèn.

2. Thiết kế hệ thống

a) Sơ đồ khối chức năng

Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống

Khối cảm biến

Cảm biến phát hiện mở cửa

Khối điều khiển trung tâm

Bo mạch Arduino

Khối chấp hành

-LED

-Còi

b) Lựa chọn vật tư, linh kiện cho hệ thống

Khối điều khiển trung tâm sử dụng bo mạch Arduino UNO R3, cảm biến phát hiện mở cửa sử dụng cảm biến công tắc từ, còi báo động sử dụng buzzer, đèn LED và điện trở 330Ω để hạn chế dòng điện cho LED, dây nối mạch và bo mạch thử.

c) Sơ đồ kết nối các linh kiện trong hệ thống cảnh báo mở cửa

Hình 3.2. Sơ đồ kết nối linh kiện trong hệ thống

Cảm biến phát hiện mở cửa

Arduino UNO R3

330 Ω

LED

Còi buzzer

(Trang 16)

- Còi buzzer: một đầu nối với GND (dây đen), một đầu nối với chân 9 của Arduino (dây xanh).

- LED: đầu âm nối với GND (dây đen), đầu dương nối qua điện trở 330 Ω với chân 10 của Arduino (dây vàng).

- Cảm biến phát hiện mở cửa: một đầu nối với 5V (dây đỏ), một đầu nối với chân 8 của Arduino (dây cam).

d) Lưu đồ thuật toán

Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

Bắt đầu

Tắt đèn, còi

Đọc trạng thái chân 8 của Arduino Uno

Mức cao?

Sai

Đúng

- Bật đèn, còi trong 500 ms

- Tắt đèn, còi trong 500 ms

Giải thích hoạt động của hệ thống:

- Bình thường khi cửa đóng, cảm biến công tắc từ ở trạng thái luôn mở, tín hiệu ở chân 8 của Arduino có mức điện áp thấp. Khi cửa mở, cảm biến công tắc từ ở trạng thái đóng và chân 8 của Arduino có mức điện áp cao.

- Chương trình kiểm tra tín hiệu cảm biến tại chân 8 của Arduino, nếu mức điện áp cao sẽ bật LED nhấp nháy (đặt chân 10 của Arduino lên cao và xuống thấp luân phiên theo chu kì T = 500 ms) và bật còi báo động (đặt chân 9 của Arduino lên cao và xuống thấp luân phiên theo chu kì T = 500 ms). Ngược lại, điều khiển tắt LED (đặt chân 10 của Arduino xuống thấp) và tắt còi báo động (đặt chân 9 của Arduino xuống thấp). Quá trình được lặp lại cho phép hệ thống giám sát liên tục.

3. Thực thi

- Phần cứng: lắp ráp, đi dây kết nối các linh kiện theo hướng dẫn ở mục 2.

- Phần mềm: viết chương trình như trong Hình 3.4, biên dịch và nạp cho Arduino.

(Trang 17)

Em có thể sử dụng chương trình mẫu dưới đây để biên dịch và nạp cho Arduino.

// Định nghĩa chân kết nối điều khiển còi buzzer

#define buzzerPin 9

// Định nghĩa chân kết nối LED

#define lampPin 10

// Định nghĩa chân kết nối đọc cảm biến phát hiện mở cửa

#define doorPin 8

// Hàm khởi tạo

void setup() {

  // Thiết lập chế độ đầu ra cho chân điều khiển còi buzzer

  pinMode(buzzerPin, OUTPUT);

  // Thiết lập chế độ đầu ra cho chân điều khiển LED

  pinMode(lampPin, OUTPUT);

  // Thiết lập chế độ đầu vào cho chân đọc cảm biến

  pinMode(doorPin, INPUT);

  // Tắt LED và còi khi khởi động

  digitalWrite(lampPin, LOW);

  digitalWrite(buzzerPin, LOW);

}

// Hàm chính

void loop() {

  // Kiểm tra trạng thái cảm biến xem cửa có mở không?

  if (!digitalRead(doorPin)) // Nếu cửa mở

  {

    // Bật LED và còi trong 500ms

    digitalWrite(lampPin, HIGH);

    digitalWrite(buzzerPin, HIGH);

    delay(500);

    // Tắt LED và còi trong 500ms

    digitalWrite(lampPin, LOW);

    digitalWrite(buzzerPin, LOW);

    delay(500);

}

}

(Trang 18)

4. Thử nghiệm, đánh giá hệ thống

- Kiểm tra lại kết nối dây theo mô tả trong mục 2 trước khi cấp nguồn.

- Cấp nguồn, thực hiện thử nghiệm ở trạng thái đóng/mở cửa trong ba trường hợp như Hình 3.5 và ghi lại kết quả trạng thái LED (nhấp nháy/tắt) và còi báo động (kêu/tắt) vào Bảng 3.2.

+ Hai phần của cảm biến tiếp xúc hoàn toàn.

+ Hai phần của cảm biến tiếp xúc một phần.

+ Hai phần của cảm biến lệch nhau hoàn toàn.

Hình 3.5. Các trường hợp thử nghiệm hệ thống cảnh báo tự động khi mở cửa

a) Tiếp xúc hoàn toàn

b) Tiếp xúc một phần

c) Lệch hoàn toàn

(Trang 19)

Bảng 3.2

- Lặp lại thí nghiệm với trường hợp cửa mở và ghi kết quả vào Bảng 3.3.

Bảng 3.3

Nhận xét về khả năng phát hiện mở cửa cho từng trường hợp.

- Hiệu chỉnh vị trí lắp đặt hai thành phần của cảm biến để đảm bảo độ chính xác trong phát hiện mở cửa là 100%.