Thiết Kế Mạch Cảnh Báo Mưa Tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

• Trường học: Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mạch Cảnh Báo Mưa Tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Lịch sử vấn đề
• 1.5. Lý thuyết liên quan
• 1.6. Phương pháp điều khiển
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH
• 2.1. Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế
• 2.2. Tấm cảm biến mưa
• 2.3. Khái niệm
• 2.4. Cấu tạo
• 2.5. Nguyên lý hoạt động
• 2.6. Thông số kỹ thuật
• 2.7. Khai niệm IC UA741
• 2.8. Sơ đồ chân
• 2.9. Sơ đồ nguyên lý
• 2.10. Nguyên lý hoạt động
• 2.11. Thông số kỹ thuật
• 2.12. Cấu tạo Relay
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH
• 3.1. Giới thiệu và ưu điểm của phần mềm mô phỏng
• 3.2. Phần mềm Proteus
• 3.3. Phần mềm Altium Designer
• 3.4. Mô phỏng mạch theo từng trường hợp
• 3.4.1. Trường hợp 1
• 3.4.2. Trường hợp 2
• 3.4.3. Trường hợp 3
• 3.5. Kết quả mô phỏng
• 3.5.1. Khi trời nắng/không mưa
• 3.5.2. Khi trời mưa lớn
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THI CÔNG
• 4.1. Sơ đồ mạch thi công trên phần mềm Altium Designer
• 4.2. Khi trời không mưa/nắng
• 4.3. Nhận xét kết quả thi công
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan đồ án thiết kế mạch cảnh báo mưa của PTIT

Trong bối cảnh công nghệ nhúng phát triển mạnh mẽ, các ứng dụng tự động hóa ngày càng trở nên thiết yếu trong đời sống. Đề tài thiết kế mạch cảnh báo mưa là một minh chứng điển hình cho xu hướng này, đặc biệt trong môi trường đào tạo kỹ thuật như Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông. Dự án này không chỉ là một bài tập kỹ thuật mà còn là một giải pháp thực tiễn, giải quyết nhu cầu tự động hóa các công việc đơn giản như thu dọn quần áo hay che mái hiên khi trời mưa. Việc nghiên cứu và phát triển một mạch cảm biến mưa hiệu quả giúp người dùng tiết kiệm thời gian, công sức và bảo vệ tài sản khỏi tác động của thời tiết. Đồ án tập trung vào việc xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh từ khâu cảm biến, xử lý tín hiệu đến cơ cấu chấp hành. Mục tiêu chính là thiết kế một mạch điện tử thông minh, sử dụng cảm biến nước để kích hoạt relay điều khiển motor, dựa trên một ngưỡng điện áp được thiết lập sẵn. Đây là một đồ án điện tử PTIT tiêu biểu, thể hiện khả năng ứng dụng kiến thức lý thuyết vào giải quyết vấn đề thực tế của sinh viên. Báo cáo nghiên cứu do nhóm sinh viên D21CQDT01-N thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Quang Thuận là tài liệu cốt lõi, cung cấp cơ sở dữ liệu chi tiết về quá trình từ lên ý tưởng, lựa chọn linh kiện, mô phỏng đến thi công sản phẩm cuối cùng. Sản phẩm không chỉ dừng lại ở việc báo động mà còn tích hợp khả năng tự động điều khiển các thiết bị ngoại vi, nâng cao tính tiện ích và tự động hóa cho người dùng.

1.1. Lý do và mục tiêu của đề tài mạch cảm biến mưa

Lý do chính để thực hiện đề tài này xuất phát từ nhu cầu thực tế trong cuộc sống hàng ngày. Nhiều gia đình thường gặp phải tình huống quần áo bị ướt hoặc đồ đạc ngoài trời bị hỏng do những cơn mưa bất chợt trong khi không có người ở nhà hoặc đang bận rộn với công việc khác. Một hệ thống cảnh báo và hành động tự động sẽ giải quyết triệt để vấn đề này. Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Điện tử Viễn thông này là thiết kế và chế tạo thành công một mạch cảnh báo mưa có khả năng: (1) Phát hiện chính xác sự xuất hiện của nước mưa ngay từ những giọt đầu tiên thông qua tấm cảm biến. (2) So sánh tín hiệu từ cảm biến với một ngưỡng điện áp tham chiếu để đưa ra quyết định chính xác. (3) Kích hoạt hệ thống báo động (âm thanh, ánh sáng) và đồng thời điều khiển các cơ cấu cơ khí (motor kéo giàn phơi, motor che mái hiên) một cách tự động và đáng tin cậy. Sản phẩm hướng đến sự đơn giản trong thiết kế, chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả hoạt động ổn định.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của sinh viên PTIT

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống mạch điện tử tích hợp cảm biến để nhận diện và cảnh báo mưa. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào nguyên lý hoạt động cảm biến mưa, phương pháp so sánh điện áp sử dụng Op-Amp, và kỹ thuật điều khiển relay. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công việc cốt lõi sau: (1) Lựa chọn loại cảm biến nước phù hợp, đảm bảo độ nhạy và độ bền. (2) Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch báo mưa chi tiết cho các khối chức năng: khối nguồn, khối xử lý và khối chấp hành. (3) Lựa chọn và tính toán thông số cho các linh kiện làm mạch cảnh báo mưa như IC UA741, transistor, relay, điện trở. (4) Xây dựng cơ chế cảnh báo thông minh bằng âm thanh (loa) và ánh sáng (LED). (5) Áp dụng mạch vào một mô hình thực tế để kiểm chứng hiệu quả, cụ thể là hệ thống giàn phơi và mái che tự động.

II. Phân tích cơ sở lý thuyết thiết kế mạch cảnh báo mưa

Để thực hiện thành công việc thiết kế mạch cảnh báo mưa tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, việc nắm vững cơ sở lý thuyết là vô cùng quan trọng. Nền tảng của mạch là nguyên lý cảm biến điện trở. Tấm cảm biến mưa về cơ bản hoạt động như một điện trở biến thiên. Khi bề mặt khô, điện trở giữa các đường dẫn trên tấm cảm biến rất lớn. Khi có nước mưa rơi vào, nước tạo thành một môi trường dẫn điện, làm giảm đột ngột điện trở của cảm biến. Sự thay đổi điện trở này dẫn đến sự thay đổi điện áp tại một điểm trong mạch, và đây chính là tín hiệu đầu vào cho khối xử lý. Khối xử lý, trái tim của mạch, sử dụng một bộ so sánh điện áp. Trong đồ án này, IC Op-Amp UA741 được cấu hình như một bộ so sánh. Nó liên tục so sánh điện áp từ cảm biến (đã qua cầu phân áp) với một điện áp tham chiếu (Vref) được thiết lập bởi một biến trở. Khi điện áp cảm biến thay đổi vượt qua ngưỡng tham chiếu, ngõ ra của Op-Amp sẽ thay đổi trạng thái (từ mức thấp lên mức cao hoặc ngược lại), kích hoạt các tầng tiếp theo. Đây là một phương pháp điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả, được trình bày chi tiết trong các báo cáo thực tập chuyên ngành điện tử.

2.1. Nguyên lý hoạt động cảm biến mưa và các loại phổ biến

Cảm biến mưa hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất vật lý khi tiếp xúc với nước. Phương pháp cảm biến điện trở được lựa chọn trong đồ án này vì ưu điểm về chi phí thấp, độ bền và khả năng điều chỉnh độ nhạy cao. Tấm cảm biến có cấu tạo gồm nhiều đường dẫn điện song song bằng nhôm hoặc đồng trên một tấm nền cách điện (mica, bakelite). Khi trời khô, không có dòng điện chạy qua. Khi mưa, các giọt nước nối các đường dẫn lại, tạo thành một mạch điện có điện trở phụ thuộc vào lượng nước. Ngoài ra, còn có các phương pháp khác như cảm biến quang học (nước làm thay đổi đường đi của tia hồng ngoại) hay cảm biến điện dung (nước làm thay đổi điện dung giữa hai bản cực). Tuy nhiên, phương pháp điện trở vẫn là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng của mạch cảm biến trong quy mô gia đình do tính đơn giản và hiệu quả.

2.2. Vai trò của IC Op Amp UA741 trong mạch so sánh

IC khuếch đại thuật toán UA741 (Op-Amp) là linh kiện cốt lõi trong khối xử lý. Trong mạch này, nó không được dùng để khuếch đại mà được cấu hình ở chế độ so sánh. Điện áp từ tấm cảm biến được đưa vào một ngõ vào (ví dụ, ngõ vào đảo), trong khi một điện áp tham chiếu Vref (có thể điều chỉnh bằng biến trở) được đưa vào ngõ vào còn lại (ngõ vào không đảo). Nguyên lý hoạt động của bộ so sánh rất đơn giản: nếu điện áp ở ngõ vào không đảo lớn hơn ngõ vào đảo, ngõ ra sẽ ở mức điện áp cao (gần bằng Vcc). Ngược lại, ngõ ra sẽ ở mức điện áp thấp (gần bằng Vee hoặc GND). Bằng cách điều chỉnh Vref, người dùng có thể tùy chỉnh độ nhạy của mạch, quyết định xem mưa nhỏ hay mưa lớn thì mạch mới bắt đầu hoạt động. Sự thay đổi đột ngột ở ngõ ra của UA741 chính là tín hiệu logic dùng để điều khiển transistor và kích relay.

III. Hướng dẫn thiết kế mạch cảnh báo mưa chi tiết nhất

Quy trình thiết kế mạch cảnh báo mưa có thể được chia thành các bước rõ ràng, từ thiết kế sơ đồ khối đến lựa chọn linh kiện cụ thể. Đây là một hướng dẫn làm mạch điện tử đơn giản mà các sinh viên PTIT làm đồ án có thể tham khảo. Đầu tiên, cần xác định các khối chức năng chính của hệ thống. Dựa trên tài liệu nghiên cứu, mạch bao gồm 3 khối chính: (1) Khối Nguồn: Cung cấp các mức điện áp ổn định (12V cho mạch điều khiển và 5V cho khối báo động và motor). (2) Khối Xử lý/So sánh điện áp: Trung tâm của hệ thống, nhận tín hiệu từ cảm biến mưa, so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển. (3) Khối Báo động/Chấp hành: Bao gồm LED, loa báo động và các relay điều khiển motor. Sau khi có sơ đồ khối, bước tiếp theo là vẽ sơ đồ nguyên lý mạch báo mưa chi tiết. Sơ đồ này phải thể hiện rõ sự kết nối giữa tất cả các linh kiện, giá trị của điện trở, tụ điện, và cách đấu nối chân của IC, transistor. Việc tính toán giá trị linh kiện là cực kỳ quan trọng để đảm bảo mạch hoạt động đúng theo thiết kế, ví dụ như tính toán điện trở hạn dòng cho LED hay cầu phân áp cho ngõ vào Op-Amp.

3.1. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch và phân tích từng khối

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch cho thấy nguồn 12V cấp cho IC UA741 và các thành phần liên quan. Tấm cảm biến mưa được kết nối vào một cầu phân áp, và điện áp tại điểm giữa được đưa vào chân số 2 (ngõ vào đảo) của UA741. Chân số 3 (ngõ vào không đảo) được nối với một biến trở để tạo điện áp tham chiếu Vref. Ngõ ra ở chân số 6 của UA741 được nối tới cực Base của một mạch báo mưa dùng Transistor đệm (ví dụ SC1815) để khuếch đại dòng, đủ sức kích cuộn hút của relay 5VDC. Khi relay được kích, các tiếp điểm của nó sẽ đóng/mở, cấp nguồn 5V cho khối báo động (LED, loa) và các motor. Công tắc hành trình (limit switch) được sử dụng để ngắt motor khi giàn phơi hoặc mái che đã di chuyển đến vị trí cuối cùng, tránh hư hỏng cơ khí.

3.2. Lựa chọn các linh kiện làm mạch cảnh báo mưa tối ưu

Việc lựa chọn linh kiện ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và chi phí của sản phẩm. Danh sách linh kiện làm mạch cảnh báo mưa trong đồ án này bao gồm: (1) Tấm cảm biến mưa: Loại thông dụng, giá rẻ, bề mặt in các đường dẫn bằng nhôm. (2) IC so sánh: UA741 là lựa chọn phổ biến, dễ tìm và hoạt động ổn định. (3) Transistor: SC1815 NPN dùng làm công tắc điện tử để kích relay. (4) Relay: Loại 5VDC 8 chân, có cả tiếp điểm thường đóng (NC) và thường mở (NO) để linh hoạt trong điều khiển. (5) Biến trở: Loại 10k Ohm để điều chỉnh độ nhạy. (6) Nguồn: Sử dụng adapter 12V, và có thể dùng IC ổn áp 7805 để tạo nguồn 5V. (7) Các linh kiện phụ: Điện trở, LED, loa, công tắc hành trình, motor giảm tốc. Việc lựa chọn này đảm bảo mạch có giá thành hợp lý, phù hợp với quy mô một đồ án sinh viên.

IV. Cách mô phỏng mạch báo mưa Proteus và thiết kế PCB

Trước khi thi công mạch thật, bước mô phỏng và thiết kế mạch in (PCB) là tối quan trọng để kiểm tra tính đúng đắn của sơ đồ nguyên lý và tối ưu hóa việc sắp xếp linh kiện. Mô phỏng mạch báo mưa Proteus là một công cụ mạnh mẽ cho phép các nhà thiết kế kiểm tra hoạt động của mạch trong môi trường ảo. Phần mềm này cung cấp thư viện linh kiện phong phú, bao gồm cả IC UA741 và các loại relay, cho phép người dùng xây dựng lại toàn bộ sơ đồ nguyên lý và quan sát sự thay đổi điện áp, dòng điện tại mọi điểm trong mạch. Quá trình mô phỏng giúp phát hiện sớm các lỗi thiết kế, chẳng hạn như tính toán sai giá trị điện trở, kết nối sai chân linh kiện, hoặc logic hoạt động không đúng. Sau khi sơ đồ nguyên lý đã được xác nhận là hoạt động chính xác qua mô phỏng, bước tiếp theo là thiết kế PCB mạch báo mưa. Sử dụng phần mềm chuyên dụng như Altium Designer, người thiết kế sẽ chuyển từ sơ đồ nguyên lý (schematic) sang sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch (PCB layout), đảm bảo các đường mạch được đi một cách khoa học, giảm thiểu nhiễu và tối ưu hóa không gian.

4.1. Mô phỏng hoạt động mạch trên Proteus theo từng kịch bản

Trong Proteus, có thể mô phỏng ba kịch bản chính. Kịch bản 1: Trời không mưa. Điện trở của cảm biến được đặt ở giá trị rất lớn. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp tại ngõ vào đảo của UA741 cao hơn Vref, làm cho ngõ ra ở mức thấp, relay không được kích. Kịch bản 2: Trời mưa. Điện trở cảm biến được giả lập bằng cách giảm giá trị xuống thấp. Điện áp tại ngõ vào đảo giảm xuống dưới Vref, ngõ ra UA741 chuyển lên mức cao, kích relay hoạt động, đèn LED sáng và motor quay. Kịch bản 3: Trời tạnh mưa. Điện trở cảm biến tăng trở lại, mạch quay về trạng thái ban đầu. Việc mô phỏng mạch trên Proteus theo các kịch bản này giúp xác nhận logic hoạt động của toàn bộ hệ thống trước khi tốn chi phí và thời gian để làm mạch thật.

4.2. Quy trình thiết kế PCB mạch báo mưa bằng Altium Designer

Quá trình thiết kế PCB mạch báo mưa bằng Altium Designer bắt đầu bằng việc tạo một project mới và vẽ lại sơ đồ nguyên lý. Sau đó, các linh kiện trong sơ đồ nguyên lý được liên kết với footprint (hình dạng chân thực tế) tương ứng trong thư viện. Tiếp theo, người dùng chuyển sang môi trường PCB layout, nơi tất cả các linh kiện sẽ được hiển thị cùng với các đường kết nối logic (ratsnest). Nhiệm vụ lúc này là sắp xếp vị trí các linh kiện một cách hợp lý và thực hiện đi dây (routing) để kết nối chúng bằng các đường mạch đồng. Cần chú ý đến độ rộng của đường mạch (đường nguồn rộng hơn đường tín hiệu), khoảng cách an toàn giữa các đường mạch để tránh chập chạm. Cuối cùng, có thể xem mô hình 3D của bo mạch để kiểm tra trực quan trước khi xuất file Gerber để gửi đi gia công.

V. Kết quả thi công và ứng dụng thực tế của mạch cảm biến

Sau các bước phân tích, thiết kế và mô phỏng, việc thi công mạch thực tế là bước cuối cùng để kiểm chứng hiệu quả của đồ án. Dựa trên báo cáo đồ án thiết kế mạch cảnh báo mưa tại PTIT, sản phẩm sau khi lắp ráp đã hoạt động đúng như mong đợi. Khi cấp nguồn, hệ thống ở trạng thái chờ, mô phỏng giàn phơi đang ở ngoài và mái che đã được cuộn lên. Khi có nước tác động lên tấm cảm biến (giả lập trời mưa), mạch xử lý ngay lập tức phản ứng. Ngõ ra của Op-Amp UA741 chuyển trạng thái, kích relay. Relay cấp nguồn cho hệ thống báo động và các motor. Kết quả quan sát được là đèn LED cảnh báo sáng lên, loa phát ra âm thanh báo động. Đồng thời, motor giàn phơi quay để kéo quần áo vào trong và motor mái che quay để che hiên. Toàn bộ quá trình diễn ra tự động cho đến khi thanh gỗ trên cơ cấu chạm vào công tắc hành trình, hệ thống sẽ tự ngắt. Điều này cho thấy ứng dụng của mạch cảm biến không chỉ dừng lại ở việc cảnh báo mà còn có khả năng điều khiển tự động, mang lại giá trị thực tiễn cao.

5.1. Phân tích kết quả đo đạc thực tế của mạch điện tử

Quá trình đo đạc thực tế cung cấp những số liệu quý giá. Khi trời không mưa, điện áp đo được tại chân 2 của IC UA741 là 11.9V, cao hơn điện áp tham chiếu tại chân 3 (đặt ở mức 3V). Do đó, điện áp ngõ ra Vout chỉ là 0.99V, không đủ để kích relay. Khi có mưa, điện trở cảm biến giảm mạnh, làm điện áp tại chân 2 giảm xuống còn khoảng 0.57V, thấp hơn mức 3V ở chân 3. Ngay lập tức, điện áp Vout tăng vọt lên 5.8V, đủ để kích relay hoạt động. Các số liệu này hoàn toàn khớp với lý thuyết và kết quả mô phỏng, khẳng định thiết kế mạch là chính xác và hoạt động ổn định. Mạch tiêu thụ dòng điện thấp ở chế độ chờ và chỉ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn khi các motor hoạt động, cho thấy thiết kế khá hiệu quả về mặt năng lượng.

5.2. Các ứng dụng thực tiễn và khả năng mở rộng của đề tài

Ngoài ứng dụng chính là tự động thu giàn phơi và che mái hiên, mạch cảnh báo mưa này có thể dễ dàng được điều chỉnh và mở rộng cho nhiều ứng dụng khác. Ví dụ, nó có thể được tích hợp vào hệ thống tưới tiêu tự động trong nông nghiệp (trời mưa thì ngắt hệ thống tưới). Trong các tòa nhà thông minh, nó có thể ra lệnh tự động đóng cửa sổ khi trời mưa. Hơn nữa, đề tài có thể được phát triển lên một tầm cao mới bằng cách thay thế khối xử lý analog bằng vi điều khiển như lập trình Arduino cho cảm biến mưa. Việc này sẽ cho phép tích hợp thêm nhiều tính năng thông minh hơn như gửi cảnh báo đến điện thoại thông minh qua Internet (IoT), ghi nhận lại lịch sử các trận mưa, hoặc điều khiển hệ thống dựa trên dự báo thời tiết, mở ra một hướng phát triển đầy tiềm năng cho các đồ án điện tử PTIT trong tương lai.