3 Khối vi điều khiển [1]

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 10/40



tiếp UART, các thanh timers T0, T1, T3. Các bộ nhớ đó là ROM (bộ nhớ trong) 8K,

bộ nhớ tạm thời RAM (368) và EEPROM (256). Bộ chuyển đổi ADC và các

modules tạo xung. Các cổng output và input được chia ra trên các bộ cổng A, B, C,

D và E. Một CPU có tất cả 35 tập lệnh, bộ ngắt và cổng nguồn 2 – 5.5V.



Hình 2-5: Cấu hình bên trong Pic



1.4 Khối cảm biến

Khối cảm biến của hệ thống thì bao gồm các cảm biến như sau:



Hình 2-6: Cảm biến âm thanh [2]



Hình 2-6 là hình ảnh cảm biến âm thanh tích hợp amply max9812L. Cảm biến này

là một cảm biến có kích thước khá nhỏ gọn và đã được tích hợp sẵn một ic khuếch

đại âm thanh amply max9812L nên có khả năng đọc ngay tín hiệu analog trực tiếp



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 11/40



bằng vi điều khiển. Cảm biến này thường được sử dụng trong các mạch phát hiện

âm thanh để mở cửa, mở tắt đèn hoặc những ứng dụng giám sát và cảnh báo khi

phát hiện tiếng động.

Bảng 2-2 ghi rõ những thông số kỹ thuật của một cảm biến âm thanh.

Bảng 2-2: Thông số cảm biến âm thanh



Nguồn hoạt động

Dòng điện tiêu thụ

Độ nhạy

Độ lợi (fixed gain)

Kích cỡ

Băng thông để khuếch đại

Nhiễu ngõ ra

IC được sử dụng chính



Từ 3 đến 5 VDC

230 mA

Cao

20 dB

15 x 9 mm

500 kHz

Thấp

Max9812L



Cảm biến âm thanh khi kết nối với chân Analog của vi điều khiển, nhiệm vụ làm

cần làm của cảm biến âm thanh sẽ là:

Micro nhỏ được gắn làm đầu thu cho cảm biến, chức năng của nó là thu lấy âm

thanh tại một khu vực nào đó, cảm nhận, nhận biết những độ rung động của sóng

âm tuân theo nguyên lý cảm ứng điện từ và biến hóa thành tín hiệu điện. Khi tín

hiệu âm thanh được thu vào từ micro sẽ được đưa qua một ic nhỏ để chuyển đổi tín

hiệu analog thành tín hiệu ADC. Để có giá trị Decibel từ con cảm biến âm thanh, ta

phải tiến hành map giá trị âm thanh từ ADC qua dB. Trước tiên ta phải có một phần

mềm đo độ ồn bằng decibel (cụ thể ở đây là một app đơn giản trên điện thoại di

động).

Hình 2-7 là hình ảnh của một phần mềm đo âm thanh trên điện thoại di động, trong

hình là các giá trị dB và các giá trị ngưỡng của âm thanh.



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ơ nhiễm khơng khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 12/40



Bảng 2-3: Quy đổi giá trị ADC và dB



ADC Value

460



dB

44



480

500

508

550

600

613

700

859



47

59

60

61

63

65

70

78



Hình 2-7: App hiện giá trị dB trên di động



Mạch sau khi được hoàn thành xong, cấp nguồn, khởi chạy app đo âm thanh

decibel, tiến hành lấy độ ồn cùng lúc, qua nhiều lần tiến hành ta có thể rút ra được

một bảng qui đổi giá trị tương đối. Bảng 2-3 thể hiện các giá trị qui đổi đó.

Về vấn đề ơ nhiễm trong mơi trường, sử dụng một cảm biến với khả năng đo được

các khối bụi cực nhỏ có trong mơi trường.



Hình 2-8: Cảm biến đo độ bụi Sharp GP2Y10 [3]



Hình 2-8 là hình ảnh một cảm biến đo độ bụi Sharp GP2Y10 và cấu tạo sơ đồ

nguyên lý bên trong của nó. Cấu tạo bao gồm một Ired (diode phát quang) và một



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm khơng khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 13/40



diode thu phototransistor, một mạch khuếch đại amplifier dùng để khuếch đại độ bụi

để đưa ra ngõ ra.



Hình 2-9: Kết nối chân cảm biến bụi với VDK



Hình 2-9 mơ tả sơ đồ kết nối chân từ cảm biến bụi đến vi điều khiển Pic16f877a,

các chân nguồn hoạt động V CC và GND được nối chung vớ nhau. Chân Analog ngõ

ra của cảm biến sẽ được kết nối tới chân ngõ vào I/O của vi điều khiển, chân I led

cũng được kết nối tới chân ngõ vào I/O của vi điều khiển.

Bảng 2-4: Thông số của cảm biến bụi



Giá trị nhạy



0.5V/ 0.1mg/m3



Nguồn cung cấp



2.5-5V



Dòng vào max



20 mA



Kích thước



63.2mm x 41.3mm x 21.1mm



Bảng 2-4 ghi rõ các thông số kỹ thuật cơ bản của một module cảm biến bụi Sharp

GP2Y10 gồm điện áp cung cấp để hoạt động, độ nhạy, dòng tối đa và kích thước.



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm khơng khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 14/40



Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 có nguyên lý làm việc như sau:

Cấu tạo bên trong của cảm biến bụi có IR LED và Phototransisto được đặt góc lệch

với nhau, khi có một lượng bụi nhất định đi qua lỗ giữa thì lúc này tia hồng ngoại từ

IR LED sẽ bắn vào Phototransistor, trải qua q trình lấy mẫu điện áp, sau đó điện

áp có được sẽ được chuyển đến một mạch khuếch đại (Amplifier) và sẽ xuất ra chân

Vo.

Hình 2-10 thể hiện quá trình thu điện áp được diễn ra sau khi được lấy mẫu.



Hình 2-10: Quá trình lấy mẫu



Quá trình hoạt động của cảm biến bụi mỗi lần thực hiện đo đạc sẽ mất khoảng 10ms

(chu kỳ mỗi lần đo), và trong 10ms đó sẽ có:

Thời gian 0.32ms: là thời gian khi mà tín hiệu xung được đẩy lên mức cao, tại thời

gian này, IRLED sẽ được bật lên và chiếu thẳng vào lượng bụi đi qua lỗ tròn lớn

nằm ở giữa cảm biến và tiến hành đọc giá trị. Tuy vậy, chỉ được đọc giá trị sau

0.28ms (Sampling time). Tín hiệu đầu ra lúc đạt tới trạng thái ổn định sau khi chờ

0.28ms, tiến hành lấy mẫu. Chu kỳ lấy mẫu sẽ thực hiện ngay trong 0.04ms sau đó.

Q trình lấy mẫu sẽ được tắt đi bằng việc cho tín hiệu xung xuống mức thấp, cuối

cùng là đọc giá trị điện áp đã lấy được. Phương pháp tính tốn và cho ra kết quả

cuối cùng:



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ơ nhiễm khơng khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 15/40



Điện áp đầu ra V0 được tỷ lệ với nồng độ bụi trong khơng khí và được quy đổi ra là

0.5V/0.1 ( mg/m3), nhưng khi sử dụng các chân Analog của VDK thì các giá trị điện

áp sẽ được chuyển thành giá trị digital (0 - 1023), thế nên giá trị điện áp phải được

qui đổi ra thành giá trị digital tương ứng. Xét:

Vpd: Đây là giá trị điện áp ứng với 1 giá trị digital.

Vref: Đây là giá trị cấp cho cảm biến (3.3V hoặc 5V)

Ta xét công thức:



Vdp = Vref / 1024



Giá trị Vdp sau khi lấy được nếu muốn tính giá trị điện áp ở ngõ ra thì ta lấy giá trị

vừa tính được đó, theo cơng thức nhân cho giá trị ADC từ chân V 0 của cảm biến.

cuối cùng khi đã có điện áp, ta suy ra giá trị nồng độ bụi trong khơng khí sẽ là:

DustDensity = (V0 * Vdp)/ 0.5.

Trong môi trường thực tế, khi thực hiện đo đạc kiểm tra, giá trị này được cho là

chưa hồn tồn chính xác, vì giá trị đo được ngồi thực tế khơng như giá trị mà nhà

sản xuất cho trước, vậy nên các nhà nghiên cứu đã thực hiện một phương pháp đó là

phương pháp linear equation để có thể rút ra được một kết quả gần đúng với giá trị

thực tế hơn:

DustDensity = 0.17 * (V0 * Vpd) - 0.1

Ví dụ: V0 tại ngõ ra của cảm biến bụi đọc được giá trị là 170 V

 Giá trị ADC ngõ ra = 170 *(5V / 1024) và gần bằng 0.8330 bit.

 DustDensity (nồng độ bụi) = 0.17 * (0.8330) – 0.1 = 0.250mg.



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm khơng khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 16/40



Bảng 2-5: Bảng thể hiện giá trị và độ ô nhiễm bụi



Giá trị mật độ bụi

(µɡ/m3)



Các mức

chất lượng

khơng khí

Level 1



Các ngưỡng chất

lượng khơng khí



0 – 35



Chỉ số chất

lượng

khơng khí

0 – 50



35 – 75



51 – 100



Level 2



Average



75 – 115



101 – 150



Level 3



Light Pollution



115 – 150



151 – 200



Level 4



Moderate

Pollution



150 – 250



201 – 300



Level 5



Heavy Pollution



250 – 500



≥ 300



Level 6



Serious Pollution



Execllent



Bảng 2-5 cho thấy được những ngưỡng chất lượng khơng khí trong mơi trường, đối

với các mơi trường nào mà có mật độ bụi từ 50 µg trở xuống thì đó là mơi trường

cực kỳ lý tưởng (Execllent). Các quốc gia như Việt Nam cũng như các nước phát

triển khác thì việc có một mơi trường có chất lượng bụi lý tưởng là khá khó khăn,

thế nên chất lượng khơng khí ở mức 50 mg sẽ được xét là mức ngưỡng hợp lý nhất

cho một môi trường sạch, còn ở mức độ chất lượng khơng khí có mức ơ nhiễm khói

bụi vượt trội từ 300 µg trở lên thì là được xem như là mơi trường ơ nhiễm. Ví dụ

như ở các cơng trường xây dựng, những đoạn đường hay tắc nghẽn có nhiều

phương tiện giao thơng qua lại hay là những khu dân cư đông đúc.

1.5 Khối hiển thị

Những giá trị, số liệu từ cảm biến sẽ được hiển thị ở khối hiển thị, cả các thông báo

quá ngưỡng cũng vậy. Khối hiển thị ở đây cụ thể sẽ là hiển thị lên một màn hình lcd

20x4, các giá trị sẽ hiển thị đó là độ ồn quá ngưỡng (dB) và độ bụi vượt quá ngưỡng

và đây chỉ là khối hiển thị trên mạch cứng hệ thống.



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ơ nhiễm khơng khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 17/40



Hình 2-11 là hình ảnh của một màn hình lcd 20x4 bao gồm các chân nguồn, các

chân truyền dữ liệu từ D0 đến D7 và chân hiệu chỉnh độ sáng tương phản của lcd.



Hình 2-11: Màn hình lcd 20 x 4



Lcd được chọn với kích thước màn hình 20x4 thì phù hợp hơn thay vì chọn một lcd

có kích thước 16x2 như thơng thường, bởi vì khi sử dụng một màn hình rộng thì các

giá trị đo đạc từ cảm biến và các cảnh báo quá ngưỡng sẽ được hiện lên màn hình

cùng một lúc và dễ dàng hơn nhiều trong việc quan sát và ghi nhớ giá trị.

Bảng 2-6 thể hiện các giá trị mức logic và những chức năng của từng chân của Lcd

20x4.

Bảng 2-6: Các chân Lcd



Kí hiệu

VCC

VSS

VEE

RS

R/W



Mức logic



I/O



0/1

0/1



I

I



E

DB0-DB7

Lamp (-)

Lamp (+)



0/1

0/1



I

I/O



Chức năng

Điện áp vào 5V

Gnd (điện áp nối đất)

Hiệu chỉnh tương phản

1: nhập DL, 0: nhập lệnh

1: đọc DL, 0: ghi DL

Chân cho phép

Các bus DL

Âm đèn lcd

Dương đèn lcd



1.6 Khối module wifi esp8266 - NODEMCU v1.0

Module này được chọn vì nó có ưu điểm là có thể dùng những thao tác đơn giản

như là có thể dễ dàng thực hiện kết nối wifi và đưa dữ liệu lên giao diện web nhờ

những giao thức kết nối đã được tích hợp sẵn. Tiện lợi cho q trình thực hành và

tiết kiệm được thời gian nhờ các nút nhấn. Trong đề tài này, nhiệm vụ chính của

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 18/40



module này là thu lấy dữ liệu từ các khối con thông qua giao tiếp UART giữa các

module thu phát RF, sau đó sẽ từ dữ liệu đó đẩy lên web server.



Hình 2-12: Kit wifi esp8266 NODEMCU [4]



Hình ảnh 2-12 là hình ảnh một kit wifi esp8266 NODEMCU v1.0, với một linh kiện

chính nằm ở trên đó là esp8266, ngồi ra còn có thêm rất nhiều linh kiện khác nữa

và sơ đồ chân kết nối là khá phức tạp.

Bảng 2-7 thể hiện các thông số kỹ thuật của một kit wifi esp8266 NODEMCU.

Bảng 2-7: Các thông số kỹ thuật



Nguồn hoạt động

Chip

Wifi

Các chân I/O

Flash bộ nhớ

Các giao thức được tích hợp

Bảo mật



3.3 V

Esp8266ex

2.4GHz với chuẩn 802.11 b/g/n

Gồm 11 chân

4 MB

TCP/IP

WPA/WPA2



1.7 Khối giao diện web server

Giao diện web được sử dụng ở đây là một giao diện thingspeak với các tính năng

nổi bật, có sẵn và khá dễ dàng để có thể phục vụ được cho nhu cầu của toàn bộ hệ

thống.



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ơ nhiễm khơng khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 19/40



Hình 2-13: Hình ảnh 1 giao diện thingspeak



Hình 2-13 là hình ảnh một giao diện thingspeak đầy đủ tính năng, việc cần làm của

người sử dụng là tạo một tài khoản, để có thể lấy dữ liệu từ hệ thống và đưa lên.

Người dùng sau khi tạo một tài khoản trên thingspeak, việc cần làm tiếp theo sẽ là

kết nối module NODE MCU esp8266 và đẩy dữ liệu có được sau khi lấy từ các khối

con và đưa lên giao diện. Giao diện ở đây sẽ bao gồm hai khối chia ra thành bốn

phần, khối con 1 thể hiện các biểu đồ và giá trị của hai giá trị đó là Noise và Dust,

khối con 2 thể hiện các biểu đồ và giá trị của hai giá trị đó là Noise2 và Dust2,

ngồi ra còn có một phần để lấy dữ liệu để xem xét đó là phần data export.



Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ơ nhiễm khơng khí