Báo cáo nhập môn điện tử viễn thông

Đại học bách khoa hà nội. viện điện điện tử. báo cáo nhập môn thầy giáo hướng dẫn: thày Minh. Bài được đánh giá cao và chấm điểm A dành cho mỗi thành viên trong nhóm, project khai thác về chiếc thùng rác thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGUYỄN TRƯỜNG GIANG - 20213701 NGUYỄN HOÀNG HIỆP - 20213703

TÔ VIỆT HOÀNG - 20213705

TÔ VIỆT TÚ - 20213735

Giáo viên hướng dẫn: PSG TS NGUYỄN ĐỨC MINH

PHẦN MỞ ĐẦU

Hiện nay, khi xã hội ngày càng phát triển, dân cư ngày càng đông đúc từ đódẫn đến lượng rác thải con người xả ra ngày càng tăng Do đó, quản lý chất thải

là một trong những vấn đề nóng hổi mà thế giới phải đối mặt không phân biệt

đó là nước phát triển hay đang phát triển Và việc đầu tiên chúng ta cần quantâm chính là những chiếc thùng rác để chúng ta chứa rác sinh hoạt hàng ngày

Thùng rác là một sản phẩm không thể thiếu được trong gia đinh và cả ởnhững nơi công cộng Không chỉ làm nhiệm vụ đựng rác, nó còn thể hiện sựvăn minh của con người hiện đại Cùng với sự phát triển về khoa học kỹ thuật,

sự ra đời của những chiếc thùng rác thông minh với khả năng tự động đóng mởnắp, hay phát ra âm thanh thông báo khi đã đầy, sẽ dần thay thế cho nhữngchiếc thùng rác thông thường chỉ mỗi chứa rác Có thể kể đến một số hãng củathùng rác thông minh như: thùng rác thông minh Kowon, Thùng rác thôngminh Joseph,

Nhận thấy những tính năng và công dụng tuyệt vời của Thùng rác thôngminh, nhóm em đã lựa chọn đề tài này với hi vọng sẽ thiết kế được một chiếcthùng rác mà nó có thể đem đến những tiện ích không hề thua kém các loạithùng rác thông minh đã có mặt trên thị trường nhưng chỉ với chi phí thấp để cóthể hướng tới nhiều đối tượng trong đó chú tâm hơn vào những người yêu côngnghệ và các hộ gia đình

Trong quá trình thực hiện dự án trên không thể tránh khỏi những sai sót nhấtđịnh, rất mong được nhận từ thầy cô cùng các bạn khác góp ý và đánh giá thẳng

thắng để chúng em rút kinh nghiệm và hoàn thiện hơn trong sản phẩm này cũngnhư các sản phẩm trong tương lai.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Table of Contents

PHẦN MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 7

1.1 Giới thiệu về thùng rác thông minh 7

1.2 Mục tiêu của đồ án 7

1.3 Mô tả vấn đề 7

1.4 Một số thùng rác thông minh trong thực tế 9

1.5 Chỉ tiêu chức năng 11

1.6 Chỉ tiêu phi chức năng 12

1.7 Kế hoạch thực hiện 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Nguyên lý hoạt động 15

2.2 Sơ đồ khối 15

2.3 Chọn linh kiện điện tử 17

2.4 Ghép nối linh kiện 26

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC, NGUYÊN LÝ, THIẾT KẾ MẠCH 28

3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch 28

3.2 Mô phỏng sơ đồ nguyên lý mạch 29

3.3 Layout mạch 29

3.4 Lập trình arduino 29

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 32

4.1 Hình ảnh sản phẩm sau khi hoàn thiện 32

4.2 Thử nghiệm mạch 35

4.3 Kết quả đạt được 36

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 38

5.1 Kết luận 38

5.2 Hướng phát triển 38

Tài liệu tham khảo 39

Hình 2.2: đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa d và t

Hình 2.3: mô tả chức năng khối điều khiển

Hình 2.4: ghép nối arduino và cảm biến siêu âm

Hình 2.5: ghép nối linh kiện arduino và động cơ servo

Hình 3.1: sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 3.2: mô phỏng sơ đồ nguyên lý mạch trên proteus

Hình 4.1: thùng rác thông minh (mặt trên)

Hình 4.2: thùng rác thông minh (mặt trên)

Hình 4.3: thùng rác thông minh (mặt trên)

Hình 4.4: thùng rác thông minh (mặt trên)

Hình 4.5: thùng rác thông minh (mặt trên)

Bảng 2.3: mô tả chức năng các chân cắm

Bảng 2.4: chọn linh kiện cho khối cảm biến siêu âm

Bảng 2.5: chọn linh kiện cho khối động cơ servo

Bảng 2.6: ghép nối cảm biến siêu âm và arduino

Bảng 2.7: ghép nối Arduino và động cơ servo

Bảng 3.1: sơ đồ cấu trúc dữ liệu

Bảng 4.1: kết quả thí nghiệm mạch

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Ở chương đầu tiên, chúng em sẽ mô tả vấn đề, phân tích chỉ tiêu kĩ thuật & ràng buộc dự án và đưa ra kế hoạch thực hiện để hoàn thành sản phẩm

1.1 Giới thiệu về thùng rác thông minh

Thùng rác thông minh là thiết bị gia dụng hiện đại, được thiết kế với mụcđích đựng các loại rác thải sinh hoạt có trong gia đinh nhưng đã được tích hợpthêm nhiều tính năng tự động giúp trải nghiệm của người dùng được tốt hơn Cóthể kể đến một số tinh năng như:

 Cảm biến đóng mở tự động

 Tự hàn kín miệng túi hay tự động đóng gói

 Được tích hợp tính năng khử mùi

 Khả năng chống nước đảm bảo an toàn vệ sinh

 Khả năng tự động phân loại rác

o Ước tính có khoảng 3,1 triệu tấn chất thải nhựa thải ra trên đất liền mỗi năm và lượng rác thải đổ ra đại dương từ 0,28 đến 0,73 triệu tấn (nguồn vnexpress )

 Thùng rác hiện nay chưa hạn chế được tình trạng xả rác bừa bãi, cũng như chưa đáp ứng được nhu cầu Xanh- Sạch- Đẹp:

o Mùi hôi khó chịu từ rác thải ảnh hưởng đến cuộc sống sinh hoạt, đặc biệt khi thùng rác để trong các không gian kín hoặc khi chúng ta quên không đóng nắp thùng rác

o Việc tiếp xúc trực tiếp với rác thải không đảm bảo vệ sinh, tiềm ẩn nguy

cơ lây nhiễm bệnh tật

o Các thùng rác thông thường lạc hậu, không phù hợp với không gian trongnhà như phòng khách, phòng ngủ,

Để giải quyết những vấn đề trên, nhóm chúng em lựa chọn thiết kế một chiếc thùng rác thông minh với tính năng đóng mở nắp tự động

b) Why

Chúng ta cần một chiếc thùng rác thông minh tự động đóng mở nắp vì:

 Thùng rác thông minh giúp ngăn chặn được mùi hôi khó chịu từ rác thải bằng cách đóng mở tự động

 Hạn chế việc tiếp xúc trực tiếp vào rác thải: Khi sử dụng, bạn không cần chạm tay vào thùng rác nên sẽ tránh được sự lây lan vi khuẩn

 Thùng rác thông minh có thiết kế tinh tế, hiện đại, thích hợp sử dụng đối với các không gian kín như phòng khách, phòng ngủ, phòng làm việc…

c) Who

Đối tượng chính của sản phẩm mà nhóm hướng đến là:

 Các hộ gia đình: Cha mẹ có thể tập cho con thói quen vứt rác đúng nơi quy định vì trẻ nhỏ thường thích thứ mới lạ

 Một số người bị “bệnh lười vứt rác” , không muốn dùng chân/ tay để mở nắpthùng

 Người yêu công nghệ mới, thích sử dụng đồ hiện đại

d) Where

Thùng rác thông minh mà nhóm hướng tới được sử dụng chủ yếu tại các không gian trong nhà như:

Việc sử dụng thùng rác thông minh là rất cần thiết vì:

 Giúp quản lý rác thải, hạn chế mùi hôi thối từ rác thải, ngăn ngừa vi khuẩn tiếp xúc trực tiếp với con người bằng cách đóng mở nắp tự động

 Nâng cao ý thức giữ gìn vệ sinh cho mọi người: không xả rác bừa bãi, tạo thói quen vứt rác đúng nơi, đúng chỗ cho trẻ em

1.4 Một số thùng rác thông minh trong thực tế

 Thùng rác thông minh Kowon

Hình 1.1: Thùng rác thông minh Kowon

Một sản phẩm đến từ thương hiệu Kowon đến từ Việt Nam với tính năng tựđộng đóng mở và có khả năng khử mùi hiệu quả Sản phẩm được thiết kế sangtrọng và tiện ích Sản phẩm được thiết kế sử dụng pin với 4 pin AA bạn cóthể sử dụng từ 3-6 tháng và có dung tích hạn chế từ 6 - 9 lít

 Thùng rác Xiaomi Ninestars

Hình 1.2: Thùng rác Xiaomi Ninestars

Đây là một sản phẩm đến từ thương hiệu Xiaomi Trung Quốc với thiết kế vô cùng hiện đại và sang trọng, được dùng pin có khả năng đóng mở tự động và có dung tích lên tận 10 lít Với một lần sạc trong 10 giờ bạn có thể sử dụng lên đến 30 ngày

 Thùng rác thông minh Joseph Joseph

Hình 1.3: Thùng rác Joseph Joseph

Sản phẩm có bộ phận lọc khử mùi hiện đại, thể tích lớn lên đến 30 lít rất rộng

và thoải mái cho việc sử dụng Đặc biệt, sản phẩm có khả năng nén rác xuống,giúp tiết kiệm được không gian chứa rác và dùng pin khi sử dụng lên đến 10-12tháng

 So sánh các loại thùng rác

Thùng rác thông minh

Kowon

Thùng rác thông minh Xiaomi Ninestars Thùng rác thông

minh Joseph Joseph Chỉ

 Khối lượng:

1.6kg

 Dung tích:6L

 Nguồn điện vào:3 pin AA

VD: Thùng rác cảm biến thông minh Ninestars DZT – 10 - 29S

 Kích thước:

244 x 191 x 342 mm

 Màu sắc:Trắng

 Chất liệu : Nhựa ABS

 Độ cảm biến: 6 – 30cm

 Kích thước:

390 x 344 x

684 mm

 Chất liệu:thép khônggỉ

 Khối lượng:7,9kg

 Dung tích:30L

 Giảm chấtthải 3 lần

 Sóng siêu âm với tần số 40khz được cảm biến siêu âm phát ra để đo khoảng cách đến vật cản

b, Output:

 Tín hiệu mở nắp thùng rác

o Khi khoảng cách d <=25cm, tín hiệu: 1 ( có vật cản )

o Khi khoảng cách d > 25cm, tín hiệu: 0 ( không có vật cản )

 Tín hiệu PWM: Điều chỉnh hoạt động đóng mở của nắp thùng rác

o Độ rộng xung 0.5ms ~ 2.5ms, góc quay tương ứng 0-180 độ

o Tần số 50Hz, chu kỳ 20ms

c, Mối liên hệ giữa input và output

Để Đo khoảng cách chướng ngại vật thông qua đo thời gian t sóng siêu âm phản xạlại khi gặp vật cản : d =t*340/2(m)

o màu sắc: xám, xanh, nâu …

o hình dáng: hình hộp chữ nhật

o khối lượng: 0.75-1.5 kg

 Hiệu năng: tốc độ cảm biến 0.5-2.5 ms

 Tiêu chuẩn cần tuân theo:

 An toàn điện: dây nối gọn gàng, xắp xếp vị trí mạch sao cho hạn chế tối

 Môi trường hoạt động: các không gian trong nhà (hoạt động tốt nhất trong

khoảng nhiệt độ từ 30−35℃ ) như phòng khách, nhà bếp, phòng ngủ, văn phòng, phòng làm việc…

 Giá, chi phí: 400.000- 500.000 đồng

 Nhân lực: 6 người

1.7 Kế hoạch thực hiện

Nội dung thực hiện Thời gian thực hiện

- Lên ý tưởng về sản phẩm (đặt vấn đề, mô tả vấn

đề và trả lời các câu hỏi what-

why-when-who-where-how )

- Phân tích chỉ tiêu kĩ thuật (chỉ tiêu chức năng và

phi chức năng) và ràng buộc dự án (SMART)

- Nghiên cứu thị trường

01/07/2022-02/07/2022

Chuẩn bị slide thuyết trình 02/07/2022- 04/02/2022

Vẽ sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch, mô phỏng

sơ đồ nguyên lý mạch, layout mạch

09/07/2022- 10/07/2022

Chọn và mua linh kiện điện tử , 11/07/2022-12/07/2022

Mô tả phương pháp thí nghiệm mạch và thiết kế

Làm báo cáo, hoàn thiện slide thuyết trình và

tổng kết dự án, đưa ra bài học kinh nghiệm

20/07/2022- 31/07/2022

Bảng 1.2: kế hoạch thực hiện Như vậy ở chương 1 trên chúng ta đã cùng tìm hiểu qua về thùng rác thông minh bên cạnh đó là nghiên cứu thị trường hiện nay, đến với chương tiếp theo, chúng ta hãy cùng tìm hiểu sâu hơn, về cơ sở lý thuyết và chọn lọc các linh kiện

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phần tiếp theo chúng em sẽ đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động, phân tích

sơ đồ khối và chọn các linh kiện cần thiết để chế tạo thùng rác thông minh

Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2

b, Dùng động cơ servo SG90 điều chỉnh hoạt động đóng mở của nắp thùng rác: Thay đổi góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM

2.2 Sơ đồ khối

Hình 2.1: Sơ đồ khối

a) Mô tả chức năng khối cảm biến siêu âm:

Module phát sóng siêu âm 40kHz Khi gặp vật cản, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại module nhận sóng Đo thời gian t từ lúc phát đến lúc thu sóng để tính khoảng cách đến vật cản d:

d= (340*t)/2 , với v= 340 m/s là vận tốc truyền sóng trong không khí

Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa d và t

b) Mô tả chức năng khối điều khiển: Nếu khoảng cách vật cản d <= 25cm, phát tín hiệu đến khối tiếp theo (động cơ servo)

Hình 2.3: Mô tả chức năng khối điều khiển

c) Mô tả chức năng khối động cơ servo: Dựa vào phương pháp điều độ rộng xung PWM điều chỉnh hoạt động quay của nắp thùng rác

Input Góc quay động cơ servo

Bảng 2.1: mối quan hệ giữa input và góc quay động cơ servo

Sau 3s, nắp thùng rác tự động đóng lại

2.3 Chọn linh kiện điện tử

a) Arduino

 Giới thiệu về Arduino

Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên nước

Ý thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino được sử dụng để cảmnhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụlấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, và nhiều đối tượng khác.Ngoài ra mạch còn có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như moduleđọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, … Để tăng khả ứng dụng của mạch

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi

xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit, … Hiện phần cứng của Arduino

có tất cả 6 phiên bản, Tuy nhiên phiên bản thường được sử dụng nhiều nhất làArduino Uno và Arduino Mega

Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE

 Vai trò

Phần cứng và phần mềm của Arduino được thiết kế bởi các nhà phát triển và bất

kỳ ai quan tâm đến việc tạo đối tượng hoặc môi trường tương tác thì việc sử dụngArduino có thể tương tác với các nút nhấn, LED, động cơ, loa, thiết bị GPS, máyảnh, internet và có thể tương tác với điện thoại, tivi

Những ứng dụng này kết hợp với thực tế là phần mềm Arduino hoàn toàn miễnphí, bo mạch phần cứng khá rẻ, cả phần mềm và phần cứng đều dễ dàng học giúp

cho Arduino trở thành một cộng đồng lớn với nhiều người dùng, đã phát triển đượcnhiều mã và đưa rất nhiều hướng dẫn cho nhiều dự án.

 Cấu tạo

Thành phần chính của Arduino Nano bao gồm:

Nguồn (USB) Mỗi mạch Arduino đều có cổng kết nối với nguồn điện.

Chân kết nối USB cũng là chân để bạn có thể tải code lên bo mạch Arduino Lưu ý: Tuyệt đối không được sử dụng nguồn lớn hơn 20V vì với nguồn điện ápnày sẽ có thể phá hủy mạch Arduino của bạn Điện áp được các nhà sản xuất đềnghị cho hầu hết các bo mạch Arduino là từ 6 – 12V

Các chân (5V, GND, Digital, Analog): Các chân trên là nguồn ra mà bạn có

thể kết nối dây đầu ra với các tải hoặc một số mạch kết nối bên ngoài

GND: Viết tắt của ‘Ground’ là mass Có một số chân GND trên Arduino, bất kỳ

các chân GND trong số đó có thể được sử dụng để nối mass mạch của bạn

5V: Chân 5V cung cấp năng lượng 5-volt Hầu hết các thành phần đơn giản

được sử dụng với Arduino đều hoạt động bình thường ở mức 5 volt

Analog: Các chân được dán nhãn ‘Analog In’ (A0 đến A7) là các chân Analog

In Các chân này có thể đọc tín hiệu từ các cảm biến tương tự (như cảm biến nhiệtđộ) và chuyển đổi nó thành một giá trị Digital mà chúng ta có thể đọc được

Digital : Các chân Digital được dán nhãn từ D2 – D13, các chân này có thể

được sử dụng cho cả đầu vào digital nếu như là các nút nhấn và đầu ra digital nếunhư cấp nguồn cho LED

Nút Reset (Reset Button): Nút reset có nhiệm vụ khởi động lại bất kỳ đoạn

code nào được tải trên Arduino Điều này rất hữu ích nếu code của bạn không cóvòng lặp nhưng bạn lại muốn kiểm tra chương trình đó nhiều lần

Đèn LED báo nguồn: là một đèn LED nhỏ có nhiệm vụ báo khi có nguồn cấp

vào Arduino Trong một số trường hợp đèn không sáng thì chắc chắn có vấn đềxảy ra Bạn có thể kiểm tra lại dây cáp USB, nguồn cấp và cả mạch nữa

TX và RX: Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ

liệu nối tiếp TTL Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng củachip nối tiếp USB tới TTL

ICSP: là viết tắt của In Circuit Serial Programming , đại diện cho một trong

những phương pháp có sẵn để lập trình bảng Arduino Thông thường, một chương trình bộ nạp khởi động Arduino được sử dụng để lập trình một bảng Arduino, nhưng nếu bộ nạp khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng, ICSP có thể được sử dụng thay thế ICSP có thể được sử dụng để khôi phục bộ nạp khởi động bị thiếu hoặc bị

hỏng

AREF: Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC.

Tên loại linh kiện Arduino Uno R3

ATmega328P CH340

Mạch Arduino Nano CH340 (Arduino Nano Compatible)

Arduino MEGA2560

Nguồn 5VDC cổng USB

hoặc 6-9VDC chân Raw

5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw

7-12VDC (jacknguồn/Vin)/5V(USB)

32KB (2KB Bootloader)

256 kB of với 8

kB được sử dụng cho bootloader

Bảng 2.2: chọn linh kiện cho khối điều khiển trung tâm

b) Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là một trong số những cảm biến được ứng dụng nhiều nhất,trong các lĩnh vực thông thường như robot, mô hình hay đến những lĩnh vựcchuyên dụng như đo độ sâu, quét địa hình đáy biển, đo độ dày bê tông trong xâydựng hoặc các ứng dụng trong quân sự,