Hệ thống có 03 chế độ hoạt động: chế độ báo động, chế độ không báo động và chế độ trẻ em. Mặc định hệ thống luôn được đặt ở chế độ báo động, người dùng có thể sử dụng nút bấm để lựa chọn các chế độ khác, vị trí nút bấm được đặt trên cao, được bảo vệ cẩn thận để tránh nước và trẻ nhỏ không với tới được.Chế độ báo động: Van xả đáy luôn được mở. Nếu có trẻ tự ý vào phòng tắm, bật công tắc để xả nước vào bồn tắm thì van xả nước sẽ không được mở đồng thời hệ thống sẽ bật báo động. Còi báo động chỉ tắt khi trẻ ra khỏi phòng tắm hoặc có người lớn vào chuyển sang chế độ không báo động.Chế độ không báo động: Khi người lớn vào phòng tắm, sử dụng nút bấm để chuyển sang chế độ này thì có thể sử dụng bồn tắm bình thường. Ở chế độ này, có thêm chức năng tự động khóa vời nước khi nước đã đầy bồn tắm: Khi xả nước vào bồn tắm gần đầy thì còi chíp sẽ phát tín hiệu (tít.tít.tít...) nhắc nhở, nếu ta không chủ động tắt công tắc để khóa vòi nước thì khi nước đầy bồn tắm, hệ thống sẽ tự động khóa vời nước lại.Chế độ trẻ em: Khi người lớn đang tắm cho trẻ, nhưng có việc đột xuất cần rời khỏi trẻ trong một thời gian ngắn (lấy khăn tắm, đồ tắm, nghe điện thoại, có khách tới nhà... ) thì có thể bật qua chế độ này. Ở chế độ này, trẻ sẽ an toàn khi ở một mình trong bồn tắm.Hệ thống điều khiển đèn trong phòng tắm tự động bật, tắt khi có người vào, ra khỏi phòng tắm.Hệ thống còn có chức năng đo và cảnh báo nhiệt độ nước trong bồn tắm. Ở cả 3 chế độ hoạt động trên, nếu nhiệt độ nước trong bồn tắm quá cao trên 450C (có thể gây nguy hiểm cho người tắm), lập tức còi chíp sẽ kêu “tít” liên hồi, đồng thời hệ thống sẽ khóa van nước nóng vào bồn tắm. Khi nhiệt độ trong bồn hạ thấp dưới 420C thì còi chíp sẽ tắt.
Trang 1MỤC LỤC
A PHẦN CHUNG 3
I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 3
II Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3
III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3
III.1 Mục tiêu chung 3
III.2 Mục tiêu cụ thể 3
IV GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4
V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4
V.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết 4
V.2 Phương pháp thực nghiệm, bao gồm: 5
V.2.1 Thực nghiệm thăm dò, tìm hiểu các nghiên cứu có liên quan đến đề tài 5
V.2.2 Thực nghiệm định lượng 5
VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6
VI.1 Tìm hiểu các linh kiện điện tử có liên quan đến mạch nghiên cứu 6
VI.1.1 Tìm hiểu về Relay 6
VI.1.2 Tìm hiểu về cảm biến chuyển động HC-SR501 V2 6
VI.1.3 Tìm hiểu về IC vi điều khiển 89S52 7
VI.1.4 Tìm hiểu về IC khuếch đại đảo ULN 2803 9
VI.1.5 Tìm hiểu về LED 9
VI.1.6 Tìm hiểu về Cảm biến Phát hiện mức nước không tiếp xúc PHN-Y26 9
VI.1.7 Tìm hiểu về module khống chế nhiệt độ MH001209 10
VI.1.8 Tìm hiểu về van khóa nước điều khiển bằng điện 10
VI.2 Mạch hệ thống khóa cửa thông minh 12
VI.2.1 Sơ đồ khối bố trí mạch Bồn tắm thông minh chống đuối nước trẻ em 12
VI.2.2 Cấu tạo của bồn tắm có chức năng chống đuối nước trẻ em 14
VI.2.3 Sơ đồ nguyên lý của mạch Bồn tắm thông minh chống đuối nước trẻ em 14
V.3 Bo mạch đồng 18
V.4 Thực nghiệm 18
VII NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA ĐỀ TÀI 19
B KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20
I KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 20
II THẢO LUẬN 22
C KẾT LUẬN KHOA HỌC 22
D TÀI LIỆU THAM KHẢO 22
Trang 2A PHẦN CHUNG
I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Khi xã hội ngày càng phát triển, điều kiện kinh tế ngày càng tốt hơn, việclắp đặt bồn tắm gia đình đã trở nên thông dụng, nhất là ở các đô thị Bồn tắmgiúp mọi người thư giãn sau thời gian làm việc mệt nhọc Tuy nhiên nếu việc sửdụng không cẩn thận thì có thể xảy ra những tai nạn đuối nước thương tâm.Trang web http://kenh14.vn có đăng bài Bé gái 1 tuổi chết trong bồn tắm vì mộtphút sơ suất của người giúp việc; hay trên trang web http://2sao.vn có bài Bé gái
3 tuổi chết đuối trong bồn tắm vì sơ suất của người
mẹ; trang http://vietnamnet.vn đưa tin Bé gái 8 tuổi
chết đuối trong bồn tắm tại nhà ở Hà nội…
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại bồn
tắm với những chức năng tiện ích khác nhau Từ
những loại bồn tắm bình thường có giá chỉ vài triệu
đồng đến những bồn tắm cao cấp có hệ thống massage
bằng nước với giá thành rất cao lên đến hàng trăm
triệu đồng Tuy nhiên chưa có sản phẩm nào có chức
năng chống đuối nước cho trẻ em
Trong cuộc thi khoa học kỹ thuật năm học 2017 - 2018 đội chúng em đãtham gia thi với đề tài “Bồn tắm thông minh chống đuối nước”, tuy nhiên một sốchức năng của hệ thống chưa tối ưu, mạch hoạt động chưa ổn định và mô hìnhtrưng bày sản phẩn chưa thể hiện hết các chức năng của sản phẩm nên đề tàikhông đạt giải
Xuất phát từ những lý do trên đội chúng em đã lựa chọn nghiên cứu đề tài
“Bồn tắm thông minh chống đuối nước trẻ em”
II Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.
Nếu đề tài được nghiên cứu và chế tạo thành công sẽ góp phần hạn chế trẻ
em bị đuối nước Sản phẩm có thể được áp dụng rộng rãi ở các bồn tắm của các
hộ gia đình
III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.
III.1 Mục tiêu chung.
Nghiên cứu chế tạo hệ thống mạch điện tử có khả năng báo động khi trẻ nhỏ
tự ý sử dụng bồn tắm
Nghiên cứu chế tạo mạch điện đơn giản, có kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng,
dễ lắp đặt trong phòng tắm
III.2 Mục tiêu cụ thể.
Hệ thống có 03 chế độ hoạt động: chế độ báo động, chế độ không báo động
và chế độ trẻ em Mặc định hệ thống luôn được đặt ở chế độ báo động, người
Trang 3dùng có thể sử dụng nút bấm để lựa chọn các chế độ khác, vị trí nút bấm đượcđặt trên cao, được bảo vệ cẩn thận để tránh nước và trẻ nhỏ không với tới được.Chế độ báo động: Van xả đáy luôn được mở Nếu có trẻ tự ý vào phòng tắm,bật công tắc để xả nước vào bồn tắm thì van xả nước sẽ không được mở đồngthời hệ thống sẽ bật báo động Còi báo động chỉ tắt khi trẻ ra khỏi phòng tắmhoặc có người lớn vào chuyển sang chế độ không báo động.
Chế độ không báo động: Khi người lớn vào phòng tắm, sử dụng nút bấm đểchuyển sang chế độ này thì có thể sử dụng bồn tắm bình thường Ở chế độ này,
có thêm chức năng tự động khóa vời nước khi nước đã đầy bồn tắm: Khi xả nướcvào bồn tắm gần đầy thì còi chíp sẽ phát tín hiệu (tít.tít.tít ) nhắc nhở, nếu takhông chủ động tắt công tắc để khóa vòi nước thì khi nước đầy bồn tắm, hệthống sẽ tự động khóa vời nước lại
Chế độ trẻ em: Khi người lớn đang tắm cho trẻ, nhưng có việc đột xuất cầnrời khỏi trẻ trong một thời gian ngắn (lấy khăn tắm, đồ tắm, nghe điện thoại, cókhách tới nhà ) thì có thể bật qua chế độ này Ở chế độ này, trẻ sẽ an toàn khi ởmột mình trong bồn tắm
Hệ thống điều khiển đèn trong phòng tắm tự động bật, tắt khi có người vào,
ra khỏi phòng tắm
Hệ thống còn có chức năng đo và cảnh báo nhiệt độ nước trong bồn tắm Ở
cả 3 chế độ hoạt động trên, nếu nhiệt độ nước trong bồn tắm quá cao trên 450C(có thể gây nguy hiểm cho người tắm), lập tức còi chíp sẽ kêu “tít” liên hồi,đồng thời hệ thống sẽ khóa van nước nóng vào bồn tắm Khi nhiệt độ trong bồn
hạ thấp dưới 420C thì còi chíp sẽ tắt
IV GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
- Đề tài được nghiên cứu trong phạm vi kiến thức của học sinh ở cấp trunghọc phổ thông kết hợp với kiến thức nâng cao lập trình vi điều khiển cho IC
V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
V.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.
Thông qua sách tham khảo và hệ thống Intener, đội đã tìm hiểu, nghiên cứu
về các loại linh kiện điện tử và các loại mạch điện tử có liên quan đến đề tài.Nghiên cứu về các loại cảm biến mức nước, cảm biến nhiệt độ, cảm biếnchuyển động
Nghiên cứu các van nước khóa tự động bằng điện
Nghiên cứu, tìm hiểu về IC vi điều khiển 89S52
Nghiên cứu phần mềm lập trình cho vi điều khiển 89S52: Keil C
Nghiên cứu phần mềm nạp chương trình cho vi điều khiển 89S52: Progispphiên bản 1.72
Trang 4V.2 Phương pháp thực nghiệm, bao gồm:
V.2.1 Thực nghiệm thăm dò, tìm hiểu các nghiên cứu có liên quan đến đề tài.
Thông qua hệ thống internet chúng tôi đã tìm
hiểu một số sản phẩm có liên quan đến đề tài như:
Trang web
http://butkythuatso.com/thiet-bi-giam-sat/chi-tiet/thiet-bi-chong-duoi-nuoc-cho-be-boi có
giới thiệu Chống đuối nước cho bể bơi Thiết bị báo
động bể bơi là một sản phẩm công nghệ cao sử dụng
cảm biến điện tử để phát hiện ra trẻ em hay vật nuôi
nặng khoảng 6-9kg trở lên ngã xuống nước trong bể
bơi.Giá thành sản phẩm tương đối cao
5.500.000đ
Trang web
http://butkythuatso.com/thiet-bi-
giam-sat/chi-tiet/may-bao-dong-chong-duoi-nuoc giới thiệu sảm phẩm Máy báo động
chống đuối nước Máy báo động chống đuối
nước là một sản phẩm trí tuệ công nghệ cao
Vừa kết hợp báo động chống thất lạc trẻ hay
đồ vật, vật nuôi vừa là máy báo động khi trẻ nhỏ, vật nuôi rơi ngã xuống Hạn chế vủa sản phẩm là khoảng cách phát hiện và báo động chỉ trong khoảng 5m đến 50 m Sản phẩm được bán với giá 2.500.000 đồng
Hiện tại, trên thị trường vẫn chưa có sản phẩm nào có chức năng giống vớisản phẩm của đề tài mà nhóm đang nghiên cứu
Nhóm đã tiến hành phân tích những hạn chế của đề tài mà nhóm đã thamgia thi khoa học kỹ thuật năm 2017 - 2018 Trên cơ sở đó bổ sung phần cứng,viết lại chưng trình phần mềm khắc phục những hạn chế, thiếu sót cho ra đờisảm phẩm mới ưu việt hơn
V.2.2 Thực nghiệm định lượng
Tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch
Lắp ráp phần cứng trên bo mạch thử nghiệm
Sử dụng phần mềm Kiel C viết chương trình phần mềm cho IC 89S52
Sử dụng phần mềm nạp chương trình Progisp 1.72 nạp cho IC 89S52 Chạythử nghiệm sản phẩm
Xây dựng mô hình sản phẩm, lắp ráp mạch, chạy thử nghiệm sản phẩm trên
mô hình
Trang 5VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
VI.1 Tìm hiểu các linh kiện điện tử có liên quan đến mạch nghiên cứu.
VI.1.1 Tìm hiểu về Relay.
Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điềukhiển sự làm việc của mạch điện động lực
Relay là thiết bị điện tử có thời gian tác
động chậm Thời gian tác động (ttđ): Là thời
gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho
đầu vào, đến lúc cơ cấu chấp hành làm việc
Với rơle điện từ là quãng thời gian cuộn dây
được cung cấp dòng (hay áp) cho đến lúc hệ
thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (với tiếp
điểm thường mở) và mở hoàn toàn (với tiếp
điểm thường đóng)
Với mỗi loại relay khác nhau thì thời gian tác động là khác nhau, với relayđiện từ thì thời gian này là từ 2 đến 20 ms (http://ptth-phanchutrinh-phuyen.violet.vn/present/same/entry_id/8505591)
VI.1.2 Tìm hiểu về cảm biến chuyển động HC-SR501 V2.
Trang 6Cài đặt: Khi khởi tạo, Module cần thời gian khởi tạo khoảng 1 phút Trong thời
gian này, moudle tạo ra điện áp cao từ 1-3 lần sau đó vào chế độ chờ
Điện áp ra 1.5 - 3.3V
VI.1.3 Tìm hiểu về IC vi điều khiển 89S52.
1 Chân VCC: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển
Nguồn điện cấp là +5V±0.5
2 Chân GND:Chân số 20 nối GND(hay nối Mass)
Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805
3 Port 0 (P0)
Port 0 gồm 8 chân (từ chân 32 đến 39) có hai chức năng:
Chức năng xuất/nhập :các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên ngoài vào
để xử lí, hoặc dùng để xuất tín hiệu ra bên ngoài, chẳng hạn xuất tín hiệu để điềukhiển led đơn sáng tắt
Chức năng là bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0) : 8 chân này (hoặc Port 0) còn làm nhiệm vụ lấy dữ liệu từ ROM hoặc RAM ngoại (nếu có kết nối với bộ nhớ ngoài), đồng thời Port 0 còn được dùng để định địa chỉ của bộ nhớ ngoài.4.Port 1 (P1)
Port P1 gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), chỉ có chức năng làm các đường xuất/nhập, không có chức năng khác
6.Port 3 (P3)
Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17):
Chức năng xuất/nhập
Trang 7Với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau
Bit Tên Chức năng
P3.0 RxD Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp
P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp
P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt cứng thứ 0
P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt cứng thứ 1
P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0
P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1
P3.6 WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài
P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài
P1.0 T2 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2
P1.1 T2X Ngõ Nạp lại/thu nhận của Timer/Counter thứ 2
7 Chân RESET (RST)
Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho
vi điều khiển Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy
8.Chân XTAL1 và XTAL2
Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được sử dụng để nhận nguồn xung clock
từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định
9 Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN
PSEN ( program store enable) tín hiệu được xuất ra ở chân 29 dùng để truy xuất
bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường được nối với chân OE (output enable) của ROM ngoài
Khi vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát ra tín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong một chu kì máy
Khi thực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mức logic không tích cực (logic 1)
(Không cần kết nối chân này khi không sử dụng đến)
10 Chân ALE (chân cho phép chốt địa chỉ-chân 30)
Khi Vi điều khiển truy xuất bộ nhớ từ bên ngoài, port 0 vừa có chức năng là bus địa chỉ, vừa có chức năng là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địachỉ Tín hiệu ở chân ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào Vi điều khiển, như vậy có thể dùng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần khác của hệ thống
Ghi chú: khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này
Trang 8Khi EA nối với logic 0(0V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ ngoại
VI.1.4 Tìm hiểu về IC khuếch đại đảo ULN 2803.
ULN 2803 gồm 18 chân Các chân từ 1 đến 8 là tín hiệu vào, chân 9 nốimới mát, chân 10 nối với dương nguồn 12V, các chân từ 11 đến 18 là tín hiệuđầu ra tương ứng
ULN 2803 là IC khuếch đại đảo, tức là khi tín hiệu đầu vào ở mức 1 (mứccao) thì tín hiệu ở đầu ra là mức thấp (mức 0), và ngược lại
VI.1.5 Tìm hiểu về LED.
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là
các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giốngnhư điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bándẫn loại n
Đối với led thường thì điện áp sử dụng thường là:
- Với led dỏ: 1.4 - 1.8v
- Led xanh, vàng các loại: 2.2 - 2.8v
- Dòng của led thường thì thấp khoảng 7 - 10mA
Đối với led siêu sáng:
- Đỏ, vàng: 2.2 -2.4v
- Xanh các loại: 3.2 -3.4v
- Trắng: 4.0 - 4.4v
- Dòng điện led siêu sáng là 17 - 20mA
Đối với một số loại led 4 chân thường là 35 đến
50mA
Các loại led công suất cao thì có thể từ 135 đến
700mA
VI.1.6 Tìm hiểu về Cảm biến Phát hiện mức
nước không tiếp xúc PHN-Y26.
Trang 9Chân OUT: Tín hiệu ra.
MODE nối với GND thì: Phát hiện có nước OUT
mức thấp 0(V), không có nước mức cao (5-24V)
MODE không nối với GND thì: Phát hiện có
nước OUT ở mức cao (5-24V), không có nước mức
thấp 0(V)
VI.1.7 Tìm hiểu về module khống chế nhiệt độ MH001209.
Tính năng khống chế nhiệt độ, điều khiển đóng
Đầu ra tiếp điểm relay
Dòng điện tiêu thụ của mạch < 3mA, bật relay < 60mA
Đầu do nhiệt độ: Nhiệt điện trở 10K 0,5m cảm biến không thấm nước
VI.1.8 Tìm hiểu về van khóa nước điều khiển bằng điện.
Trang 10của van điện từ sẽ tương ứng với hệ thống đó, như van điện từ hệ thống khí nén,van điện từ nước…
Theo chức năng, van điện từ được phân thành hai loại:
- Van điện từ thường đóng: Đây là dòng van thông dụng nhất trong ngànhcông nghiệp và điện dân dụng Với nguyên lý hoạt động van luôn ở chế độ đóngkhi chưa được cấp điện, và ở chế độ mở khi có dòng điện đi qua
- Van điện từ thường mở: hoạt động ngược lại so với van thường đóng, vanluôn ở chế độ mở khi chưa được cấp điện và sẽ đóng khi có dòng điện chạy qua
b Van khóa nước bằng mô tơ điện.
Van điều khiển điện là van được điều khiển bằng mô tơ (motor) điện vớiđiện áp 12V DC, 24V DC, 220V AC Khi cấp dòng điện vào mô tơ làm mô tơquay, qua cơ cấu của mô tơ sẽ truyền chuyển động đến trục của van và sẽ tácđộng làm đĩa của van quay khi đấy làm van chuyển đổi từ trạng thái đóng sang
mở hoặc từ mở sang đóng hoặc mở 1 góc nhất định ( van điều khiển điện tuyếntính)
* Nguyên lý hoạt động của van điều khiển bằng điện:
Van điều khiển điện có thể đang ở trạng thái đóng hoặc mở tùy theo cách lắp đặt
và mục đích sử dụng
Khi ở trạng thái ban đầu Để mở/đóng van điều khiển điện
hệ thống điện cấp điện cho bộ điều khiển, motor trong bộ điều
khiển quay và tác động đến một cơ cấu truyền động biến
chuyển động quay của mô tơ thành chuyển động quay của trục
van Trục van quay làm đĩa đóng mở van quay sẽ tạo góc mở
cho van Tùy theo Bộ điều Khiển On/Off hay tuyên tính sẽ điều
khiển cho van mở hoàn toàn hoặc mở 1 phần theo mục đích sử
dụng ( khi đó chúng ta có van điện On/Off - van điều khiển
điện tuyến tính) Khi hết hành trình đóng/ mở van motor sẽ ngắt
điện
Để trở lại trạng thái ban đầu của van hệ thống cấp lại điện để
motor chuyển động quay theo chiều ngược lại tác động làm van
đóng lại
Khi motor chạy hết hành trình để đóng van hoặc mở van thì
thông qua công tắc hàng trình sẽ tự động ngắt điện Tránh cho bộ
điện phải ngâm điện lâu sẽ làm nóng động cở gây chập cháy bộ
điều khiển
Van điều khiển bằng motor điện không bị chập điện hoặc cháy nổ an toàn trong phòng tránh cháy nổ