Tải bản đầy đủ
2 Thiết kế phần cứng

2 Thiết kế phần cứng

Tải bản đầy đủ

điện áp AC-DC hoặc từ nguồn pin [4]. Ưu điển của vi mạch này là có một nền tảng
phần cứng và phần mềm ổn định, có IDE thân thiện và dễ dàng thao tác cho người sử
dụng. Khác với các vi mạch vi điều khiển khác là không cần thêm mạch nạp, việc nạp
chương trình thông qua trình biên dịch IDE và kết nối USB sẵn có. Giá thành rẻ giúp
giảm giá thành sản phẩm và tăng quy mô sản xuất.
Tất cả các vi điều khiển Arduino hoạt động ở điện áp 5V và 3,3V. Hình 2.4 sẽ mô tả
cơ bản các đặc điểm cơ bản về bo mạch Arduino Uno [7], và bảng 2.1 là các thông số
kĩ thuật của Arduino Uno R3.

Hình 2.4: Mạch Arduino UNO cơ bản
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của Arduino Uno
Chi tiết về Arduino Uno
Vi điều khiển

ATmega 328P

Kích cỡ

6.85x 5.84 cm

Điện áp hoạt động

3.3 – 5 V

Điện áp lối vào

6 – 20 V

Số chân Analog

6

Số chân I/O Digital

14

Cường độ dòng điện 40mA
1 chiều
Xung

nhịp

hoạt 16MHz
14

động

2.2.2 Mô – đun nguồn và quản lí sạc / sả điện
Mô-đun LM2596 (hình 2.5) là mô-đun chỉnh lưu dòng điện 9-12 V sang 5 V để
cung cấp điện áp cho hệ thống trong trường hợp không mất điện và cung cấp dòng
điện đầu vào cho mô-đun sạc/ sả pin lithium.
Để dự trữ điện năng vào 2 pin Lithium cho những ngày mất điện, ta cần cần 1
modul có khả năng sạc điện cho Pin Lithium. Mô-đun TP4056 (hình 2.6) là mô-đun
điều tiết điện cho pin. Nó có nhiệm vụ sạc/ sả một cách hợp lí, ngắt khi pin đầy và sạc
trở lại khi hết pin.

Hình 2.5: Mô-đun nguồn LM2596
Hình 2.6: Mô-đun sạc/TP4056
2.2.3 Còi cảnh báo
Còi báo động giúp cảnh báo khi hệ thống tính toán và phát hiện ra nguy cơ xảy ra lũ
hoặc trượt lở đất. Hình 2.7 là hình ảnh thực tế của còi cảnh báo. Nó hoạt động ở tần số
cao, với công suất lớn gây khó chịu cho người sử dụng (và sẽ gây chú ý của người
dân). Vì thế, còi này rất thích hợp để cảnh báo trong khu dân cư. Còi hoạt động ở điện
áp 3.7V đến 12V.

Hình 2.7: Còi cảnh báo
2.2.4 Pin Lithium
Pin Lithium gồm 2 pin Lithium 3.7V – 3000mAh được nối song song với nhau để
có nguồn 3.7V – 6000mAh. Một trong những lý do quan trọng của việc sử dụng nguồn
dự phòng là cung cấp điện áp cho toàn hệ thống trong trường hợp mất điện. Tại khu
15

vực đồi núi thường mất điện mỗi khi có mưa lớn. Tuy nhiên, hệ thông cần luôn hoạt
động để kịp thời cảnh báo khi có hiện tượng trượt lở đất xảy ra. Vì thế nguồn dự
phòng là giải pháp rất cần thiết cho hệ thống này.
2.2.5 Mô-đun sim 900A
Ở hệ đo mức lũ, ta cần 1 thiết bị có thể kết nối với thể giới bên ngoài để truyền
thông tin, Mô-đun sim900 được lựa chọn vì sự phổ biến, tương đối dễ sử dụng và đáp
ứng được đầy đủ yêu cầu về mặt thiết kế.
Mô-đun sim900 hoạt động ở băng tần 900/1900 Hz trên công nghệ GSM. Nó sử
dụng nguồn điện áp 9 V. Sim900 hộ trợ nhiều chuẩn kết nối như RS232, giao tiếp với
vi điều khiển, có Mic thoại và Audio. Hình 2.8 là phiên bản thực tế của Mô-đun
sim900A do công ty Minh Hà sản xuất.

Hình 2.8: Mô-đun sim900A
2.2.6 Pin năng lượng mặt trời
Một đặc điểm quan trọng của hệ đo mức lũ là nó được đặt ở trên bờ các dòng sông,
suối. Như vậy thì nguồn điện cung cấp cho thiết bị là 1 bài toán phải được đặt ra. Pin
năng lượng mặt trời là 1 giải pháp thay thế tương đối rẻ và hiệu quả. Việc tính toán
những ngày có nắng, khả năng sạc đầy pin là điều vô cùng quan trọng để đánh giá
được khả năng hoạt động của hệ thống.
Hình 2.9 là 1 bảng thu năng lượng mặt trời với công suất trung bình, giá rẻ, phù hợp
với hệ thống.

16

Hình 2.9: Bản năng lượng mặt trời
2.2.7 Cảm biến
Đối với bất kì một hệ đo lường điện tử nào cảm biến luôn là một trong số những
thành phần quan trọng nhất. Các kết quả đo có chính xác hay không đều phụ thuộc vào
cảm biến. Về mặt kĩ thuật báo cáo này sẽ trình bày 2 phương pháp khác nhau để đo
được mực nước, đó là sử dụng cảm biến mức và cảm biến siêu âm. Đây là 2 phương
pháp đã được thử nghiệm thực tế trong quá trình thực hiện báo cáo. Dựa vào kết quả
thực tế, cuối cùng sẽ đưa ra được ưu và nhược điểm của từng phương pháp.
a. Cảm biến mức
Cảm biến mức được chế tạo dựa trên nguyên lí cơ bản đó là sự dẫn điện của nước.
Hầu hết các loại nước đều chứa các loại ion có khả năng vận chuyển điện tử. Hình
2.10 sẽ miêu tả cơ chế hoạt động của cảm biến mức. Cảm biến sẽ bao gồm rất nhiều
điện cực khác nhau, mỗi điện cực tương ứng với một mực nước trong gầu đo mưa. Khi
điện cực ngập trong nước sẽ tạo thành mạch thông, tín hiệu được khuếch đại và truyền
về vi xử lí.

17

Hình 2.10: Nguyên lí của cảm biến mức

Hình 2.11: Cảm biến mức
- Bởi vì tín hiệu điện áp khi mạch thông là tương đối nhỏ. Ta cần khuếch đại nó lên
trước khi đưa và vi điều khiển để xử lí. Vi mạch LM358 có tác dụng như vậy.

Hình 2.12: Vi mạch LM358
-Cảm biến mức có rất nhiều các điện cực khác nhau, đôi khi số lượng lên đến vài chục
mức. Tuy nhiên số lượng chân của vi điều khiển là có hạn. Vi mạch 74HC165 sẽ có
nhiệm vụ chuyển các bits song song của cảm biến mức trở thành 1 chuỗi các bits nối
tiếp để xử lí. Nó giúp tiết kiệm số đường dây nối với vi điều khiển, đồng thời khả năng
xử lí được cải thiện hơn. Hình 2.13 là hình ảnh sơ đồ các pin của 74HC165 [8].
18

Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của 74HC165
Như vậy để tổng kết lại cảm biến mức là 1 thiết bị có thể đo được nhiều mức nước
khác nhau. Tín hiệu từ các điện cực sẽ được đưa qua 1 bộ so sánh và khuếch đại điện
áp. Nếu điện cực thông, vi điều khiển sẽ quyết định là mức 1 hoặc ngược lại. Cuối
cùng chúng được đưa qua bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp. Việc này sẽ tiết kiệm
đáng kể số lượng chân vi điều khiển cần phải sử dụng. Hình 2.14 miêu tả lại quá trình
hoạt động của cảm biến mức ứng với trường hợp của hệ đo mưa.

Hình 2.14: Hệ đo mưa sử dụmng cảm biến mức
b. Cảm biến siêu âm
Sóng siêu âm là một loại sóng cao tần mà con người không thể nghe thấy được. Tuy
nhiên, ta có thể thấy được sự hiện diện của sóng siêu âm ở khắp mọi nơi trong tự
nhiên. Các loại động vật như dơi, cá heo …dùng sóng siêu âm để liên hệ với nhau, để
săn mồi hay định vị không gian [9].
Dựa vào quan sát từ tự nhiên, việc sử dụng sóng siêu âm để định vị hoặc tìm ra vị trí
của vật thể hồm 3 bước đơn giản:
-

Vật chủ phát ra sóng siêu âm
19

-

Sóng này va chạm với môi trường xung quanh và bị phản xạ lại.
Dựa vào thời gian phát thu , khoảng cách giữa vật chủ và môi trường xung
quanh được tính ra

Cảm biên siêu âm SRF05 cũng dựa trên nguyên tắc trên, thiết bị gồm 2 loa – thu và
phát – cùng với 5 chân để kết nối chân với cảm biến với Arduino. Theo tài liệu từ nhà
sản xuất tầm hoạt động của cảm biến siêu âm là từ 2cm – 5m.
Cảm biến siêu âm SRF05:
Cảm biến siêu âm SRF05 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cánh vì giá
rẻ và độ chính xác cao. Cảm biến xử dụng sóng siêu âm có thể đo khoảng các từ 2 cm
đến 5m với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Bảng 2.2 là miêu tả
về chức năng của các chân cảm biến siêu âm SRF05.

Bảng 2.2: Các chân của cảm biên siêu âm
Chân
Chức năng
Vcc

Nguồn 5 V

Trig

Chân lối ra Digital

Echo

Chân
lối
Digital

Out

Cài đặt

GND

Đất

vào

Hình 2.15 là hình ảnh trên thực tể của mô-đun cảm biến siêu âm SRF05. Nó có 2 bộ
phận phát (Trig) và thu (Echo) tín hiệu. Hình ảnh trực quan trông giống như 2 cái mắt
của mô-đun.

20