Đồ án: môn học đồ án thiết kế hệ thống số đề tài giám sát và cảnh báo vị

Báo cáo đồ án thiết kế hệ thống giám sát bãi đỗ xe thông minh, cảnh báo vị trí trống tự động, ứng dụng công nghệ số hiện đại trong quản lý giao thông.

• Tác giả: Vũ Văn An
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Thành
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Giám sát và cảnh báo vị trí còn trống trong bãi đỗ xe
• Loại tài liệu: Báo cáo môn học đồ án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Môn Học Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Số Đề

Môn học đồ án thiết kế hệ thống số đề là một trong những môn học quan trọng trong chương trình đào tạo chuyên ngành Điện - Điện tử tại các trường kỹ thuật. Đây là một môn học thực hành được thiết kế nhằm giúp sinh viên áp dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào các dự án thực tiễn. Đồ án thiết kế hệ thống số yêu cầu sinh viên phải hiểu sâu về các nguyên lý hoạt động của các vi điều khiển, cảm biến, và các thiết bị điện tử khác. Thông qua môn học này, sinh viên có cơ hội phát triển kỹ năng lập trình nhúng, thiết kế mạch điện, và kiến thức về giao thức truyền thông. Môn học giúp rèn luyện tính chuyên nghiệp, khả năng làm việc nhóm và xử lý các tình huống thực tiễn trong công nghiệp.

1.1. Mục Tiêu Và Nội Dung Môn Học

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế hệ thống số đề là trang bị cho sinh viên kiến thức toàn diện về thiết kế hệ thống nhúng. Nội dung môn học bao gồm: nghiên cứu các board Arduino Uno R3, cảm biến điện tử, giao tiếp serial UART, giao thức I2C và SPI, và lập trình ứng dụng. Sinh viên sẽ học cách kết nối các thiết bị, viết chương trình điều khiển, và test thử nghiệm hệ thống trên mô hình thực tế để đảm bảo hoạt động đúng yêu cầu.

1.2. Ý Nghĩa Thực Tiễn Của Đồ Án

Đồ án thiết kế hệ thống số đề có ứng dụng thực tiễn rất cao trong các lĩnh vực như giám sát và điều khiển tự động, quản lý bãi đỗ xe, hệ thống an ninh, và IoT. Sinh viên không chỉ học lý thuyết mà còn được trải nghiệm quy trình phát triển sản phẩm từ thiết kế sơ đồ nguyên lý, lựa chọn linh kiện, lập trình, cho đến test nghiệm và tối ưu hóa. Điều này giúp sinh viên sẵn sàng cho công việc trong ngành công nghiệp công nghệ hiện đại.

II. Cấu Trúc Và Các Thành Phần Chính Của Đồ Án

Một đồ án thiết kế hệ thống số điển hình bao gồm nhiều thành phần quan trọng cần được phát triển song song. Phần phần cứng (hardware) bao gồm board Arduino Uno R3, các cảm biến siêu âm HY-SRF05, module RFID, servo MG90S, LCD 20x4, và các linh kiện điện tử khác. Phần phần mềm (firmware) được viết bằng ngôn ngữ C++ trong Arduino IDE để điều khiển toàn bộ hệ thống. Giao tiếp giữa các module được thực hiện thông qua các giao thức truyền thông như UART serial, I2C, và SPI. Cuối cùng, sinh viên phải thực hiện test thử nghiệm trên mô hình phần cứng thực tế và viết báo cáo chi tiết.

2.1. Phần Cứng Và Các Module Cần Thiết

Arduino Uno R3 là bộ vi điều khiển chính của hệ thống. Các cảm biến siêu âm được sử dụng để phát hiện vị trí còn trống trong bãi đỗ xe. Module RFID giúp quản lý thẻ xe và kiểm soát ra vào. Servo motor điều khiển các cánh quạt hoặc thanh chắn tự động. Màn hình LCD hiển thị trạng thái hệ thống và số vị trí còn trống. Các dây nối, điện trở, tụ điện được thiết kế cẩn thận để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động tối ưu.

2.2. Phần Mềm Và Giao Thức Truyền Thông

Lập trình Arduino IDE cho phép sinh viên viết code để điều khiển các thiết bị. Giao thức UART serial được sử dụng để giao tiếp giữa các module. Giao thức I2C dùng cho LCD 20x4 và các cảm biến thông minh. Giao thức SPI được sử dụng cho module RFID. Sinh viên phải hiểu rõ cách cấu hình các chân GPIO, khai báo interrupt, và xử lý dữ liệu từ cảm biến để tạo ra hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đúng yêu cầu.

III. Quy Trình Thực Hiện Và Các Bước Quan Trọng

Quy trình thực hiện đồ án thiết kế hệ thống số đề tuân theo một lịch trình cụ thể bao gồm nhiều giai đoạn. Bước đầu tiên là chọn đề tài phù hợp với yêu cầu thực tiễn. Tiếp theo, sinh viên viết đề cương chi tiết và trình bày phương án thực hiện. Giai đoạn nghiên cứu bao gồm tìm hiểu nguyên lý hoạt động của từng module và test thử riêng lẻ. Sau đó, sinh viên thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ kết nối phần cứng. Giai đoạn lập trình yêu cầu viết code điều khiển hệ thống và debug các lỗi. Cuối cùng, sinh viên phải test thử nghiệm trên mô hình thực tế, tối ưu hóa hiệu suất, và viết báo cáo hoàn chỉnh.

3.1. Giai Đoạn Nghiên Cứu Và Thiết Kế

Giai đoạn nghiên cứu bắt đầu bằng cách tìm hiểu chi tiết từng linh kiện. Sinh viên cần đọc datasheet của Arduino, cảm biến, module RFID. Thiết kế sơ đồ nguyên lý phải tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Thiết kế mô hình phần cứng cần đảm bảo bố trí hợp lý, tối ưu khoảng cách dây và dễ bảo trì. Sinh viên phải kiểm tra lại các kết nối nhiều lần trước khi nạp điện để tránh hư hỏng linh kiện.

3.2. Giai Đoạn Lập Trình Và Test Thử Nghiệm

Lập trình bắt đầu bằng cách viết các hàm cơ bản cho từng module riêng lẻ. Sinh viên cần test từng hàm để đảm bảo chính xác. Sau đó, tích hợp các module thành chương trình hoàn chỉnh. Test thử nghiệm trên mô hình thực tế là bước rất quan trọng để phát hiện lỗi và điều chỉnh code. Sinh viên phải ghi lại kết quả test, phân tích hiệu suất, và tối ưu hóa để đạt kết quả tốt nhất.

IV. Kỹ Năng Và Kiến Thức Đạt Được Từ Đồ Án

Sau khi hoàn thành đồ án thiết kế hệ thống số đề, sinh viên sẽ có được nhiều kỹ năng quý giá. Thứ nhất, kỹ năng lập trình nhúng được nâng cao thông qua viết code Arduino. Thứ hai, sinh viên hiểu sâu về giao tiếp giữa các thiết bị thông qua các giao thức UART, I2C, SPI. Thứ ba, kỹ năng thiết kế mạch điện được phát triển khi thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in. Thứ tư, kỹ năng giải quyết vấn đề được rèn luyện khi gặp phải các lỗi và tìm cách khắc phục. Cuối cùng, kỹ năng làm việc nhóm và viết báo cáo kỹ thuật giúp sinh viên sẵn sàng cho công việc chuyên nghiệp trong tương lai.

4.1. Kỹ Năng Kỹ Thuật Cốt Lõi

Kỹ năng lập trình là nền tảng của đồ án thiết kế hệ thống số. Sinh viên học cách khai báo biến, viết hàm, xử lý interrupt, và debug code. Kỹ năng đọc datasheet giúp sinh viên hiểu rõ tính năng và giới hạn của từng linh kiện. Kỹ năng thiết kế mạch bao gồm tính toán điện trở giới hạn dòng, chọn loại tụ điện phù hợp, và bố trí dây hợp lý. Kỹ năng test nghiệm giúp sinh viên sử dụng đồng hồ đo điện và phần mềm giám sát để xác định các lỗi.

4.2. Kỹ Năng Mềm Và Phát Triển Chuyên Nghiệp

Kỹ năng làm việc nhóm được rèn luyện khi phân chia công việc và cộng tác giữa các thành viên. Kỹ năng quản lý dự án giúp sinh viên lập lịch trình, theo dõi tiến độ, và đảm bảo hoàn thành đúng hạn. Kỹ năng viết báo cáo kỹ thuật bao gồm trình bày sơ đồ rõ ràng, mô tả quy trình chi tiết, và phân tích kết quả. Kỹ năng trình bày giúp sinh viên thuyết phục người nghe về tính khả thi và ý nghĩa của dự án. Những kỹ năng này rất cần thiết cho công việc kỹ sư trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, nhóm đề tài đã nghiên cứu về hệ thống bãi đỗ xe, đánh giá tổng quan về mô hình chung của các hệ thống bãi đỗ xe đã và đang được thương mại hóa trên thị trường. Qua quá trình phân tích, đánh giá nhóm đề tài nhận thấy việc đề xuất thiết kế một hệ thống giám sát và cảnh báo chỗ trống trong bãi đỗ xe cụ thể tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong đó hướng tới mục tiêu giảm giá thành hệ thống, tăng số lượng các mô hình trong thị trường đồng thời đảm bảo hệ thống có tiện ích, thuận tiện cho khách hàng. Trong chương tiếp theo, nhóm sẽ trình bày về các kỹ thuật liên quan và đề xuất mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo chỗ trống trong bãi đỗ xe. Mục tiêu của đề tài là thiết kế một hệ thống bãi đỗ xe tự động có giám sát và cảnh báo giúp cho khách hàng dễ nhận biết được vị trí nào còn trống để đi vào sử dụng công nghệ thẻ từ.

Phương hướng thực hiện đề tài: phương pháp tham khảo tài liệu thu thập các thông tin từ sách vở, tài liệu, tạp chí về khoa học điện tử, tham khảo trên Internet và các đồ án của những khóa trước; phương pháp quan sát, khảo sát một số bãi đỗ xe thông minh hiện hành để đưa ra tối ưu cho đồ án để tối ưu; phương pháp thực nghiệm, từ những ý tưởng của nhóm, kết hợp với sự hướng dẫn giảng viên, nhóm đã chọn lọc được cách làm tối ưu nhất. 15 | P a g e CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO VỊ TRÍ CÒN TRỐNG BÃI ĐỖ XE. Trong chương trước, nhóm đã nghiên cứu về các hệ thống các bãi đỗ xe phổ biến và chỉ ra các đặc điểm của hệ thống từ đó lên ý tưởng thiết kế hệ thống của mình. Chương này nhóm sẽ trình bày cơ sở lý thuyết sử dụng và đưa ra mô hình hệ thống cùng các kỹ thuật liên quan.

Board Arduino Uno R3 Hình 2. Hình ảnh Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 là kit Arduino Uno thế hệ thứ 3, tích hợp vi điều khiển ATmega328P(8bits), với khả năng lập trình cho các ứng dụng điều 16 | P a g e khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh cho các loại bộ nhớ ROM, RAM, Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ tín đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như URAT, SPI, TWI(I2C). Arduino Uno R3 có 6 chân analog( A0-A5) cung cấp độ phân giải 10bit( 0- 2^10-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng từ 0v – 5v. Với chân AREF trên board, ta có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog để đo điện áp trong khoảng 0v – 2.5v với độ phân giải vẫn là 10bit.

Arduino có thể cấp nguồn 5v thông qua cổng USB. Bộ nhớ của Arduino Uno R3 cung cấp cho người dùng: - 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thi sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng rất hiếm khi cần quá 20KB bộ nhớ này. - 2kb cho SRAM( Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ ở đây.

Khai báo càng nhiều biến thì cần càng nhiều bộ nhớ ram. Thực sụ bộ nhớ Ram chưa lúc nào để bận tâm, khi mất điện dữ liệu trong SRAM bị mất. - EPROM( Electrically Eraseble Programable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini- nơi mà bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi ngắt điện giống như dữ liệu trên SRAM là 1kb. Sơ đồ chân Arduino Uno R3 Thông số kĩ thuật của Arduino Uno R3: Bảng 2.

Thông số kĩ thuật chính của board Arduino 18 | P a g e 2. RFID RC522 Hình 2. Hình ảnh của RFID RC 522  Dùng giao thức SPI kết nối với Arduino, kết nối qua bốn chân: SCK, MISO, SS - SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần một đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo một bit dữ liệu đến hoặc đi. - MISO- Master input/ slave output: nếu là chip master thì đây là đường output còn nếu là chip slave thì MOSI là input.

MOSI của master và các slave được nối trực tiếp với nhau. - SS- Slave select: đường chọn slave cần gián tiếp, tích cực mức thấp. Thông số kĩ thuật: - Nguồn: 3.3vdc, 13- 26ma - Dòng ở chế độ chờ: 1013ma - Dòng ở chế độ nghỉ: <80ua - Tần số sóng mang: 13.56mhz 19 | P a g e - Khoảng cách hoạt động: 0~60mm( mifare1 card) - Chuẩn giao tiếp: SPI - Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10mbit/s 2. LCD, LED Hình 2.

Hình ảnh LCD 20X4 LCD 20x4 là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ hoặc số trong bảng mã ASII. Mỗi ô của Text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, các chấm này kết hợp với nhau theo trình tự “ẩn” hoặc “hiện” sẽ tạo nên các kí tự cần hiển thị và mỗi ô chỉ hiển thị được một kí tự duy nhất. LCD 20X4 nghĩa là loại LCD có bốn dòng và mỗi dòng chỉ hiển thị được hiển thị được hai mươi kí tự. Đây là loại màn hình được sử dụng rất phổ biến trong các loại mạch điện.

Thông số kĩ thuật của LCD 20X4: - Điện áp: 5v - Ngõ giao tiếp: 16 chân - Màu sắc: xanh lá hoặc xanh dương - Module hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển: LCD I2C 20x4 Chức năng của từng chân LCD: 20 | P a g e - Chân số 1 - VSS: chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển - Chân số 2 - VDD: chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch điều khiển - Chân số 3 - VE: điều chỉnh độ tương phản của LCD - Chân số 4 - RS: chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1": + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD - Chân số 5 - R/W: chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc - Chân số 6 - E: chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này như sau: + Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp. - Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7) - Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn nền - Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn nền.

Dạng sóng điều khiển của LCD Nhìn vào dạng sóng ta có thể thấy được trình tự điều khiển như sau: - Điều khiển tín hiệu RS. -Điều khiển tín hiệu R/w xuống mức thấp. - Điều khiển tín hiệu E lên mức cao để cho phép. - Xuất dữ liệu D7 – D0.

- Điều khiển tín hiệu E về mức thấp. - Điều khiển tín hiệu R/W lên mức cao trở lại. Kết nối với Arduino thông qua module chuyển đổi I2C với địa chỉ giao tiếp I2C là 0x27. Module chuyển đổi I2C 22 | P a g e Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780(LCD 1602, LCD 2004,…) cần có ít nhất sáu chân MCU kết nối với chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD.

Nhưng với module chuyển giao tiếp LCD sang I2C, chỉ cần hai chân SDA VÀ SCL của MCU kết nối với hai chân SDA và SCL của module để có thể hiển thị thông tin lên LCD. Ngoài ra có thể điều chỉnh được độ tương phản bơi biến trở gắn trên module. Thông số kĩ thuật của module I2C: - Tương thích với màn hình: LCD 1602, LCD2004; - Nguồn cung cấp: +5V DC; - Hỗ trợ giao thức: I2C; - Điều chỉnh độ sáng đèn nền và độ tương phản qua biến trở - Chân kết nối: SDA, SCL, VCC, GND; - Kích thước: 41.5mm x 19mm x 16mm 2. Servo MG90S Hình 2.

Hình ảnh Servo MG90S Động cơ RC Servo MG90S là phiên bản nâng cấp của động cơ RC Servo 9G với các bánh răng được làm bằng kim loại cho lực khéo khỏe và độ bền cao, động cơ có kích thước nhỏ gọn, cách điều khiển 23 | P a g e giống như các động cơ RC Servo phổ biến trên thị trường hiện nay: MG996, MG995, 9G,. Phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau: Robot cánh tay máy, robot nhện, cơ cấu chuyển hướng, cơ cấu quay góc,. Động cơ sử dụng chất liệu có độ bền cao, có bánh răng bằng đồng giúp cho động cơ đạt độ bền cao. Thông số kỹ thuật Model: MG90S servo Điện áp hoạt động: 4.8 ~ 6VDC Stall Torque: 1.2kg/cm(6V) Operating Speed: 0.08sec/60degree(6v) Bánh răng: Kim loại.

Độ dài dây nối: 175mm Trọng lượng: 13.4g Kích thước: 22. Cảm Biến Siêu Âm UltraSonic HY-SRF05 Hình 2. Hình ảnh cảm biến Siêu Âm HY-SRF05 24 | P a g e Module cảm biến siêu âm HY-SRF05 được dùng để đo khoảng cách, đo mực chất lỏng, dùng làm robot dò đường và phát hiện các vết đứt gãy trong dây cáp. HY-SRF05 là một cảm biến siêu âm có khả năng phát ra sóng siêu âm và nhận sóng siêu âm phản hồi ngược lại khi có vật cản.

Do vậy, module cảm biến siêu âm SRF05 được coi như một cảm biến khoảng cách. Thông số kỹ thuật: Điện áp vào: 5V Dòng tiêu thụ : <2mA Tín hiệu đầu ra: xung HIGH(5V) và LOW(0V) Khoảng cách đo : 2cm – 450cm Độ chính xác : 0.5cm Kích thước: 20*45*15mm Góc cảm biến :<15 độ Sơ đồ chân: có 5 chân VCC : 5V. Trig(T) : digital input. echo (R): digital output.