Đồ án: Thiết kế mạch cảnh báo an ninh sử dụng cảm biến chuyển động

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn. Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Vì vậy, Bộ cảnh báo an ninh là một giải pháp cho chúng ta cảm thấy an tâm hơn khi đi xa du lịch hoặc đề phòng khỏi những mối nguy hại cho cuộc sống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA : CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TƯ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CẢNH BÁO AN NINH, SƯ

DỤNG CẢM BIẾN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN

Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1.1 Các ứng dụng của bộ điều khiển cảnh báo an ninh……… 5

1.2 Đặc điểm của cảm biến chuyển động và bộ cảnh báo an ninh……… 6

1.3 Yêu cầu của bộ cảnh báo an ninh……… 7

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CẢNH BÁO AN NINH 2.1 Yêu cầu công nghệ……… 8

2.2 Sơ đồ khối……… 9

2.3 Mạch nguyên lý……… 10

2.3.1 Khối nguồn……… 10

2.3.2 Khối cảm biến……… ………… 12

2.3.3 Khối so sánh……….………13

2.3.4 Khối xử lí……… 14

2.3.5 Khối tín hiệu……… 15

2.3.6.Sơ đồ nguyên lý toàn mạch……… 16

2.4 Nguyên lý làm việc……… 16

2.5 Tính chọn linh kiện……… 17

2.5.1 Tính chọn linh kiện cho khối nguồn……… 17

2.5.2 Tính chọn linh kiện cho khối cảm biến……… 22

2.5.3 Tính chọn linh kiện cho khối so sánh……… 23

2.5.4 Tính chọn linh kiện cho khối xử lý……… … 26

2.5.5 Tính chọn linh kiện cho khối tín hiệu……… 30

CHƯƠNG III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận……… 31

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu hướng phát triển không ngừng của nền công nghệ những thập kỉ qua,công nghệ điện tử cũng ngày càng phát triển vượt bậc Đời sống xã hội ngày một thayđổi, bên cạnh những tiến bộ thì các vấn đề cũng nảy sinh càng nhiều, đặc biệt là khiquy mô hoạt động của tổ chức được mở rộng Trong nhiều trường hợp, việc quản lý trởnên vô cùng khó khăn khi số lượng đối tượng quản lý quá lớn, làm cho hoạt động bịđình trệ, mất nhiêu thời gian mà lại không hiệu quả Do đó, một hệ thống bảo vệ tựđộng sẽ giúp cho con người dễ dàng hơn trong việc giám sát, đảm bảo tính công bằng,

và đặc biệt là sự tiến bộ trong các hoạt động xã hội

Bằng một ý tưởng có tính ứng dụng cao ngoài thực tế, với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển cảnh báo an ninh sử dụng cảm biến phát hiện chuyển động” Hệ thống có khả

năng tự động cảnh báo bằng còi báo động và bóng đèn khi có trộm Đây là hệ thốngđược ứng dụng ở các nhà kho, hộ gia đình, chung cư, xưởng sản xuất,… Nó còn cảnhbáo cho những nơi cần bảo mật với mức độ bảo mật cao, trong tòa nhà, các viện bảotàng, nơi mà cần hệ thống bảo mật tốt mỗi ngày Ngoài ra, hệ thống này là giải pháptốt cho các thiết bị bảo mật ở các công ty, bệnh viện, cơ quan hành chính, cơ quanThuế & Hải quan, các công ty Bảo hiểm, Ngân hàng và chứng khoán, các Trung tâmdịch vụ, nhà ga-bến xe Dưới sự kiếm soát của hệ thống này, quá trình bảo mật sẽ trởnên tốt hơn và hiệu quả hơn

CHƯƠNG I: CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1.1 Các ứng dụng của bộ điều khiển cảnh báo an ninh

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thếgiới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triểncủa kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sựchính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạtđộng của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn Điện tử đang trở thành một ngànhkhoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của cácngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sốnghàng ngày

Vì vậy, Bộ cảnh báo an ninh là một giải pháp cho chúng ta cảm thấy an tâm hơn khi đi

xa du lịch hoặc đề phòng khỏi những mối nguy hại cho cuộc sống

 Ứng dụng nổi bật của cảm biến chuyển động:

- Phát hiện được người, động vật chuyển động trong phạm vi của cảm biến, nhờ thânnhiệt phát ra từ người, động vật,

- Dùng trong các bộ cảnh báo an ninh chống trộm bằng còi báo động, dùng để bậtđèn tự động ở các hành lang, phòng ngủ, nhà vệ sinh, trong nhà,

- Dùng để chống trộm trong các doanh nghiệp, lán xe, nhà kho,

- Bật tắt đèn tự động khi đóng, mở cửa tủ quần áo

Hình 1.1 a, Ứng dụng chống trộm Hình 1.1 b, Ứng dụng trong bật đèn tư

động

1.2 Đặc điểm của bộ điều khiển cảnh báo an ninh sử dụng cảm biến chuyển động

Thiết kế chế tạo mô phỏng bộ điều khiển cảnh báo an ninh cho một trang trại hoặcngôi nhà, viện bảo tàng, vườn lan, với diện tích: khoảng 100 m2

*Khái niệm: Cảm biến chuyển động là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng tháichuyển động thông qua quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảosát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.

*Những loại cảm biến chuyển động có thể sử dụng trong mạch cảnh báo an ninh

*Nguyên lý hoạt động của của cảm biến chuyển động

Cảm biến chuyển động hoạt động ở mức 1 khi nhận được tín hiệu chuyển động từ bênngoài môi trường Sau khi tín hiệu được phát ra từ cảm biến thì tín hiệu sẽ qua mộtmach khuếch đại để khuếch đại điện áp lên, sau đó tín hiệu sau khi khuếch đại sẽ quamạch so sánh nhằm so sánh điện áp để điều chỉnh relay đóng – ngắt điều khiển tín hiệuphát động ở khối tín hiệu đầu ra

Bộ cảnh báo an ninh hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến chuyểnđộng, nhờ vậy mà có thể phát hiện được mối đe dọa nguy hiểm

Thiết kế, chế tạo bộ cảnh báo an ninh sử dụng cảm biến chuyển động kết hợp với một

số mạch như: mạch so sánh rồi xuất kết quả qua một số thiết bị báo động như bóngđèn, còi báo động

 Mạch sử dụng cảm biến chuyển động phát hiện chuyển động, IC so sánh LM358,relay điều khiển tín hiệu đầu ra, bóng đèn và còi báo động báo tín hiệu

 Mạch so sánh điện áp: sử dụng IC LM358

 Relay xử lí tín hiệu vào và điều khiển tín hiệu ở đầu ra

 Nhận lệnh từ khối điều khiển, khối tín hiệu đầu ra: Bóng đèn, còi báo động sẽchuyển từ mức 0 lên mức 1

1.3 Yêu cầu của bộ cảnh báo an ninh

- Bộ cảnh báo hoạt động tốt

- Yêu cầu công nghệ đáp ứng nhu cầu phù hợp để sử dụng

- Phạm vi hoạt động bao quát được hết khu vực cần bảo vệ

- Cảm biến chuyển động sử dụng trong mạch phải đáp ứng được nhu cầu sử dụng

- Đảm bảo khối đầu ra: còi báo động và các bóng đèn hoạt động tốt

- Đảm bảo an toàn khi đấu nối

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CẢNH BÁO AN NINH 2.1 Yêu cầu công nghệ

- Thiết kế, chế tạo bộ cảnh báo an ninh bao quát được tổng thể khu vực, phạm vi cầnbảo vệ

- Bộ cảnh báo có khả năng phát hiện ra chuyển động khi có người lọt vào vùng quétnhờ sử dụng cảm biến chuyển động

- Cảm biến chuyển động có tính năng phát hiện được tia hồng ngoại của những vật thểnhư người khi lọt vào vùng quét của cảm biến

- Tín hiệu báo động của bộ cảnh báo sử dụng đèn và còi báo động với nguồn nuôi220VAC

- Bộ cảnh báo an ninh hoạt động tốt cả ban ngày và ban đêm

- Phạm vi hoạt động (thực tế) : 100 m2

- Tính năng chống nước: IP65 – IP67

2.2 Sơ đồ khối

NGUỒN 220VAC

Hình 2.1 Sơ đồ khối

Chức năng của từng khối trong sơ đồ:

- Nguồn 220VAC: Cung cấp điện áp và đồng thời làm nguồn nuôi cho mạch nguồn5VDC và khối tín hiệu

- Khối nguồn 5VDC -1A: Cung cấp điện áp làm nguồn nuôi cho khối cảm biến vàKhối xử lý

- Khối cảm biến: Phát hiện chuyển động từ vật thể có mối đe dọa khi lọt vào vùngcảm biến

- Khối so sánh: Khuếch đại tín hiệu ở đầu vào đồng thơi so sánh 2 giá trị điện áp

- Khối xử lý: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý cho phép đóng mở tín hiệu ở đầura

- Khối tín hiệu: Khi không có tín hiệu tác động khối tín hiệu ở mức 0, khi có tín hiệutác động vào thì khối tín hiệu lên mức 1 thông qua khối xử lý

2.3 Mạch nguyên ly

2.3.1 Khối nguồn.

KHỐI NGUỒN220VACKHỐI SO SÁNH

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch là nguồn 1 chiều Nguồn ta dùng ở đây cótính ổn định cao để mạch hoạt động chính xác nếu ta dùng nguồn không ổn định nhưpin, khi hết pin thì mạch sẽ bị gián đoạn trong lúc hoạt động

Muốn có nguồn ra là 5VDC ta dùng máy biến áp, chỉnh lưu cầu và IC ổn áp

7805 để đưa ra điện áp 5VDC

a) Khối hạ áp

Ở đây chúng ta biến đổi điện áp 220V AC-50Hz xuống còn 12V AC-450mA.Mục đích là cấp đầy đủ cho bộ biến đổi và bộ lọc để có điện áp 1 chiều mongmuốn

Hình 2.3 Điện áp sau chỉnh lưu

c) Khối lọc

- Có tác dụng san bằng điện áp một chiều ít nhấp nhô hơn

- Tụ điện có điện dung càng lớn thì điện áp đầu ra càng phẳng

Hình 2.4 Điện áp sau khi được lọc bằng tụ điện

d) Khối ổn áp

- Dòng họ 78xx cho ra nhiều loại ổn áp khác nhau VD 7805 cho ra điện áp ổnđịnh 5VDC

- Điện áp vào của 78xx là điện áp 1 chiều <= 40VDC

- Dòng điện không vượt quá 1,5A

- Dòng đỉnh là 2.2A

- Công suất tiêu tán cực đại có tản nhiệt là 15W

- Đảm bảo thông số là Vi-V0=2V đến 3V (lúc đó mạch mới hoạt động ổn ápđược)

2.3.2 Khối cảm biến

Trước tiên, ta cần tìm hiểu khái niệm, vai trò và phân loại của cảm biến:

* Khái niệm: - Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trìnhvật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệuđiện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

- Cảm biến chuyển động là một thiết bị thông báo các đối tượng chuyểnđộng khi lọt vào vùng quét hoặc tia quét của cảm biến , chủ yếu là con người

* Nguyên lý hoạt động:

- Ở trạng thái bình thường khi không có tác động cảm biến sẽ hoạt động ở mức 0 Khi

có tác động từ môi trường như nhiệt độ, vật cản,… chuyển động qua vùng quét, lúcnày cảm biến lên mức 1 hoạt động, tín hiệu này sẽ được biến đổi thành điện áp ở đầu

ra cấp cho các phụ tải đằng sau

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến

2.3.3 Khối so sánh

- Mạch so sánh hay Comparator là phần tử thưc hiện so sánh hai giá trị điện áp hoặc

dòng điện đưa tới ngõ vào thuận và đảo, và cho ra kết quả nhị phân biểu hiện giá trịthuận có lớn hơn không

* Nguyên lý hoạt động:

Mạch gồm hai phầnː mạch ngõ vào là một khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch lớn,

và mạch ngõ ra thông dụng của các mạch logic

Theo biểu diễn trong ký hiệu mạch so sánh, với V1 ở ngõ vào thuận, thì

 Nếu V1 > V2, Vout là logic 1 (high)

 Nếu V1 < V2, Vout là logic 0 (low)

Đối với mạch so sánh với V1 ở ngõ vào đảo thì:

 Nếu V1 < V2, Vout là logic 1 (high)

 Nếu V1 > V2, Vout là logic 0 (low)

Sự bất định xảy ra khi V1 ≈ V2, nhưng thường được khử bằng các phản hồi dương đểtạo trễ

Bộ so sánh điện áp là một mạch so sánh hai điện áp, chuyển đầu ra sang trạng thái caohay thấp tùy thuộc vào điện áp nào cao hơn Mạch so sánh điện áp hoạt động dựa trênopamp

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý khối so sánh

2.3.4 Khối xử lí

Khối xử lí có chức năng nhận tín hiệu đầu vào từ khối cảm biến, sau đó khối sẽ xử lítín hiệu nhận được thông qua một linh kiện hoặc một mạch điều khiển trung gian vàcho ra tín hiệu, tác động vào khối tín hiệu ở đầu ra đang ở mức 0 lên mức 1 báo động.Một số linh kiện có thể dùng để xử lý tín hiệu: relay DC, relay AC, modul relay DC,công tắc hành trình, công tắc tơ AC,…

 Nguyên lý hoạt động

- Khi dòng điện được cấp cho relay ở chân 4 và 5 ngày lập tức nó sẽ kích hoạt nam châm điện Tạo ra từ trường thu hút một tiếp điểm Lúc này mạch thứ 2 sẽ kích hoạt chân 1 COM sẽ đóng với chân 3 NO Khi tắt nguồn, một lò xo kéo tiếp điểm trở lại vị trí ban đầu, tắt mạch thứ hai một lần nữa

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý khối tín hiệu

2.3.6 Sơ đồ nguyên ly toàn mạch

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

2.4 Nguyên ly làm việc

Khối nguồn 5VDC được kết nối và làm nguồn nuôi cho Cảm biến, mạch so sánh vàRelay và một chiếc MBA mini hạ áp Ở đầu ra của máy biến áp dòng điện đi qua mộtcon Diot cầu chỉnh lưu qua 2 chân AC của diot cầu biến dòng điện xoay chiều thànhdòng điện một chiều, sau đó từ 2 chân DC của Diot cầu, dòng điện đi qua các tụ hóa,

để làm sạch, lọc nhiễu dòng điện, dòng điện sau khi qua dây dương nguồn sẽ đi vàochân INT của IC ổn áp LM7805, chân GND của IC ổn áp LM7805 sẽ nối với chânGND của Diot cầu Điện áp sau khi qua IC ổn áp LM7805 sẽ có nguồn 5VDC ở chânOUT của IC, chân OUT sẽ được nối qua một bóng Led đơn thông qua một con điện trởnhằm báo tín hiệu cho biết mạch nguồn 5V đã có thể sử dụng

PIR

Khi cấp nguồn cho cảm biến, ở trạng thái bình thường cảm biến sẽ ở mức 0 khi chưa

có tác động, lúc có người đi qua lọt vào vùng quét của cảm biến, lúc này cảm biến sẽ

tự động đẩy lên mức 1 Sau đó, tín hiệu sẽ đi qua Lm358 để so sánh hai giá trị điện ápcủa cảm biến và chiết áp Nếu khi có tia hồng ngoại chiếu vào mắt nhận thì mắt nhậngiảm nên điện áp trên chân 3 của mắt nhận sẽ tăng lên, khi điện này lớn hơn điện ápcủa chiết áp bằng điện trở thì mức điện áp ra sẽ là VCC( mức logic 1) Sau khi so sánh,tín hiệu sẽ được đưa qua Transistor để khếch đại tín hiệu rồi đưa vào chân INT củaRelay Ở trạng thái bình thường Relay đang ở mức 0, sau khi nhận tín hiệu , Relay lậptức chuyển trạng thái sang mức 1 Chân COM của Relay sẽ đóng với chân NO Khi đótín hiệu đầu ra của các bóng đèn và còi báo động sẽ là mức 1 và ngược lại

2.5 Tính chọn linh kiện

2.5.1 Tính chọn linh kiện cho mạch nguồn

* Tính toán chọn linh kiện:

- Tính chọn máy biến áp mini :

+ Biến áp là một thiết bị điện gồm 2 cuộn dây quấn trên một lõi sắt từ có nhiệm vụ

biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều khác để phù hợp với mụcđích cần sử dụng

+ Hai cuộn dây biến áp được ký hiệu là N1 và N2 Điện áp đầu vào được đặt trêncuộn N1 gọi là U1 và điện áp đầu ra được lấy trên hai đầu cuộn N2 gọi là U2 Tỉ sốU1/U2 = N1/N2 được gọi là tỉ số biến đổi điện áp Mỗi biến áp có một công suất nhấtđịnh Biến áp có thể cung cấp một điện áp U2 ổn định khi tải tiêu thụ ăn một dòng điệnnhỏ hơn dòng điện định mức của biến áp Thông thường ta sẽ chọn biến áp có dòngđịnh mức lớn hơn dòng tải tiêu thụ

Đối với tải sau ta dùng dòng nhỏ không quá lớn, nên máy biến áp ta chọn sẽ cho ranguồn 12V, ăn dòng 450mA-1A

Hình 2.10 Máy biến áp đối xứng 12V – 450mA

- Tính chọn Diot chỉnh lưu :

Muốn có điện áp 5V DC ở đầu ra của mạch nguồn, mà điện áp đầu vào là 220V ACnên ta có thể dùng máy biến áp 220V AC – 24V AC 3A, 220V AC – 12V AC 1A trong đề tài này chúng em chọn 220V AC – 12V AC 1A

- Chỉnh lưu cầu: biến đổi dòng điên xoay chiều thành dòng điện một chiều

Hình 2.11 Diot chỉnh lưu cầu

- IC ổn áp: Có 2 linh kiện họ ổn áp là LM78xx và LM79xx

+ Họ 78xx là cho ra điện áp dương, còn xx là giá trị đầu ra như: 5V, 9V, 12V

+ Họ 79xx là cho ra điện áp âm, còn xx là giá trị đầu ra như: -5V, -9V, - 12V

Hình 2.13 Tụ phân cưc

Mà mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ nên cứ 10µF/1mA

=> C = 10.100 = 1000 µF

Với giá trị như vậy ta có thể chọn tụ hóa là: 1000µF

Tụ hóa đầu ra sau khi ổn áp ta chọn là 100 µF

Tụ hoạt động ở Umax = 25vdc

- Chọn Led đơn:

Hình 2.14 Led đơn

Thông số chung LED đơn 5mm:

- Điện áp hoạt động ở mức: 1,8V - 3V;

- Dòng điện: 10mA - 20mA;

- Loại LED: LED đục, LED siêu sáng;

- Màu LED: xanh lá, xanh lam, đỏ, vàng, trắng đục, trắng siêu sáng

Hình 2.15.Thông số điện áp của Led

Do có sẵn linh kiện nên ta chọn led có U=1,9V-3.0V, I=20mA

- Tính chọn điện trở:

Hình 2.16 Điện trở

- Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp Điện trở được sửdụng rất nhiều trong các mạch điện tử Điện trở của dây dẫn có trị số điện trở lớnhay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch vớitiết diện dây dẫn

Công thức tính:

R = = = 100 (Ω)

Trong đó:

Unguồn : nguồn nuôi đầu vào

U1led : điện áp hoạt động của 1 Led đơn