1 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin cảm ơn Ban tổ chức cấp tạo sân chơi bổ ích giúp học sinh chúng em có dịp biến ý tưởng thành sản phẩm cơng nghệ áp dụng vào sống thường ngày Chúng em xin cảm ơn Ban Giám hiệu nhà trường thầy cô tạo điều kiện sở vật chất thời gian để em hồn thành sản phẩm mà nghiên cứu Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo Vũ Thị Nội người tận tình hướng dẫn suốt trình nghiên cứu chế tạo thiết bị dự án Cuối em xin cảm ơn tất thầy cô bạn bè trường THCS Bạch Sam, người thân gia đình động viên, khích lệ, tạo động lực cho em trình thực dự án Học sinh Nguyễn Triệu Tùng Phạm Thị Vân Anh TĨM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Kính gửi: Ban Tổ chức Cuộc thi Khoa học kỹ thuật cấp Tỉnh dành cho học sinh trung học năm h `1 Phạm Thị Vân Anh Học sinh lớp: 9A - Trường THCS Bạch Sam – Mỹ Hào – Hưng Yên Em xin trình bày tóm tắt Dự án sản phẩm sau: 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện trường học thơng minh Phân tích sơ đồ: Dòng điện pha từ lưới điện qua aptomat chia làm đường - Đường A cấp điện cho khu hiệu bộ, phòng bảo vệ, hệ thống camera bảo vệ, trống báo tự động, qua Timer tới hệ thống tưới tự động, hệ thống đèn bảo vệ đóng ngắt tự động; - Đường B, cấp điện cho hệ thống camera, qua Timer cấp điện cho hệ thống lớp học - Đường C cấp điện cho hệ thống camera quan sát, qua Timer tới lớp học, phòng thí nghiệm, phòng học mơn, phòng tin học (tại lớp học có cảm biến nhiệt độ cấp quyền điều khiển quạt mát, phòng thí nghiệm phòng học mơn hóa, sinh có cảm biến khí điều khiển đóng ngắt quạt thơng gió, phòng thí nghiệm phòng học mơn vật lí có aptomat chống giật) Hình 2.2 Cấu trúc hoạt động hệ thống đường điện A, B, C 2.2.1 Đường A Hệ thống điện đường A phải cấp điện thường xuyên để đảm bảo an ninh hoạt động trường thơng suốt Vì hệ thống nối trực tiếp vào mạng điện qua áptomat Đường A sau qua aptomat chia thành mạch nhánh sau: - Nhánh cấp điện cho phòng bảo vệ Tại phòng bảo vệ có lắp Timer dùng khống chế thời gian đóng ngắt điện cấp cho hệ thống tưới tự động hệ thống đèn bảo vệ Bộ Timer cài đặt để đóng điện lúc 17 ngày hơm trước ngắt điện lúc 30 ngày hôm sau (việc thiết đặt tùy ý) Để việc tưới đáp ứng yêu cầu độ ẩm cây, mạch máy bơm lắp xen cảm biến độ ẩm đất điều khiển rơle Như vậy, dù hệ thống Timer cấp điện đất đủ độ ẩm máy bơm khơng cấp điện Tương tự vậy, hệ thống đèn bảo vệ mắc xen vào cảm biến ánh sáng điều khiển rơle Nhờ đó, dù hệ Timer cấp điện trời chưa tối hệ thống đèn chưa bật sáng - Nhánh cấp điện cho khu hiệu Thiết bị điện phòng làm việc cán bộ, giáo viên điều khiển từ xa (bộ điều khiển từ xa mắc song song với công tắc học để chủ động việc đóng ngắt điện) - Nhánh thứ cấp điện cho hệ thống camera quan sát 2.2.2 Đường B Đường B chia làm nhánh lớn: - Nhánh thứ cấp điện cho hệ thống camera quan sát - Nhánh thứ cấp điện cho hệ thống lớp học qua Timer Timer thiết đặt đóng điện lúc ngắt điện lúc 22 (thời gian thiết đặt tùy ý cho phù hợp với hoạt động học tập trường) Sau khỏi Timer dòng điện phân phối cơng tắc tơ (do hệ thống lớp học thường sử dụng nhiều thiết bị nên tiêu thụ công suất điện lớn ) Tại phòng học, quạt mát cấp quyền điều khiển cảm biến nhiệt độ điều khiển rơle Cảm biến nhiệt độ đặt để đóng rơle nhiệt độ phòng khoảng 26, 27 0C, nhiệt độ rơle ngắt nên bật quạt (việc đặt nhiệt độ đóng rơle tùy ý) 2.2.3 Đường C Đường C chia làm nhánh lớn: - Nhánh thứ cấp điện cho hệ thống camera quan sát - Nhánh thứ cấp điện cho hệ thống lớp học, phòng thí nghiệm phòng học mơn, phòng tin học qua Timer Cũng Timer 2, Timer thiết đặt đóng điện lúc ngắt điện lúc 22 (thời gian thiết đặt tùy ý cho phù hợp với hoạt động học tập trường) Sau khỏi Timer dòng điện phân phối công tắc tơ (do hệ thống lớp học thường sử dụng nhiều thiết bị nên tiêu thụ cơng suất điện lớn ) Tại phòng học, quạt mát cấp quyền điều khiển cảm biến nhiệt độ điều khiển rơle Cảm biến nhiệt độ đặt để đóng rơle nhiệt độ phòng khoảng 26, 27 0C, nhiệt độ rơle ngắt nên bật quạt (việc đặt nhiệt độ đóng rơle tùy ý) Ngồi ra, phòng thí nghiệm phòng học mơn hóa, sinh lắp quạt thơng gió Quạt thơng gió điều khiển tự động nhờ cảm biến khí điều khiển rơle Bộ cảm biến khí gồm cảm biến khí ga MQ2 cảm biến đa khí MQ135 Cảm biến MQ 135 phát chất NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2,… Khi nồng độ khí đạt ngưỡng thiết lập rơle đóng quạt thơng gió hoạt động Aptomas Bàn TNaptomat Tại phòng thí nghiệm vật lí, bàn thí nghiệm có lắp chống giật nhằm đảm bảo an toàn cho học sinh làm thí nghiệm điện, Cảm biến khí liên quan đến điện M Chú ý: Bảng điện tất phòng bảo vệ aptomat Phòng TN, học môn 2.3 Sơ đồ mô số mạch điện dự án CT học Từ Timer Modul cảm biến nhiệt độ ĐK quạt Lớp học M Hình Hệ thống mạch điện phòng học Bộ cảm biến Từ Timer tới độ ẩm đất M Hình Mạch điện hệ thống tưới tự động Từ Timer tới Bộ cảm biến ánh sáng Hình Mạch điện hệ thống đèn bảo vệ Ghi chú: Trong hình vẽ mạch điện hệ thống điện thành phần khơng vẽ aptomat đầu vào (trừ mạch điện phòng học môn) GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3.1 Vài nét điều khiển tự động PLC ( Zen) Thông số kĩ thuật Zen có 12 đầu vào (gồm đầu Analog đầu Digital) đầu (mỗi đầu có rơle loại 24V DC 165V - 230V AC 10A) Hình 6: PLC 20C1AR-A-V2 Ngun lí hoạt động PLC thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể thuật tốn mạch số Hệ thống lập trình PLC bao gồm phần: khối xử lý trung tâm (CPU) hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O) CPU điều khiển hoạt động bên PLC Bộ xử lý đọc kiểm tra chương trình chứa nhớ, sau thực thứ tự lệnh chương trình, đóng hay ngắt đầu Các trạng thái ngõ phát tới thiết bị liên kết để thực thi Và toàn hoạt động thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển giữ nhớ PLC thực chất chạy mã máy với hệ thống số nhị phân, tốc độ qt vòng chương trình đạt đến vài phần ngàn giây, Software dùng để lập trình PLC tích hợp phần biên dịch Các dòng lệnh lập trình đưa từ chương trình vào trình biên dịch chuyển đổi sang mã máy ghi bit “0” hay bit “1” lên vào vị trí có địa quy ước trước PLC lên PC thực thi xảy ngược lại trình biên dịch làm xong nhiệm vụ trước trả chương trình lên Monitor Hệ thống Bus tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: - Address Bus: Bus địa dùng để truyền địa đến Module khác - Data Bus: Bus dùng để truyền liệu - Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền tín hiệu định điều khiển đồng hoạt động PLC Trong PLC số liệu trao đổi vi xử lý module vào thông qua Data Bus Address Bus Data Bus gồm đường, thời điểm cho phép truyền bit byte cách đồng thời hay song song Nếu modul đầu vào nhận địa Address Bus, chuyển tất trạng thái đầu vào vào Data Bus Nếu địa byte đầu xuất Address Bus, modul đầu tương ứng nhận liệu từ Data bus Control Bus chuyển tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động PLC Các địa số liệu chuyển lên Bus tương ứng thời gian hạn chế Hệ thống Bus làm nhiệm vụ trao đổi thông tin CPU, nhớ I/O Bên cạch đó, CPU cung cấp xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung định tốc độ hoạt động PLC cung cấp yếu tố địnhthời, đồng hồ hệ thống * Vòng quét chương trình: PLC thực cơng việc (bao gồm chương trình điều khiển) theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp gọi vòng quét (scancycle) Mỗi vòng quét bắt đàu việc chuyển liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, giai đoạn thực chương trình Trong vòng qt, chương trình thực từ lệnh đến lệnh kết thúc khối OB1 Sau giai đoạn thực chương trình giai đoạn chuyển nội dung đệm ảo Q tới cổng số Vòng quét kết thúc giai đoạn xử lý yêu cầu truyền thông (nếu có) kiểm tra trạng thái CPU Mỗi vòng qt mơ tả sau: Chú ý: Bộ đệm I Q không liên quan tới cổng vào/ra tương tự nên lệnh truy nhập cổng tương tự thực trực tiếp với cổng vật lý không thông qua đệm Thời gian cần thiết PLC thực vòng quét gọi thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng qt khơng cố định, tức khơng phải vòng quét thực khoảng thời gian Có vòng qt thực lâu, có vòng qt thực nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh chương trình thực hiện, vào khối lượng liệu truyền thơng Trong vòng qt Như việc đọc liệu từ đối tượng để xử lý, tính tốn việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có khoảngthời gian trễ thời gian vòng qt Nói cách khác, thời gian vòng qt định tính thời gian thực chương trình điều khiển PLC Thời gian vòng qt ngắn, tính thời gian thực chương trình cao Nếu sử dụng khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ khối OB40, OB80, Chương trình khối thực vòng qt xuất tín hiệu báo ngắt chủng loại Các khối chương trình thực vòng qt khơng phải bị gò ép phải giai đoạn thực chương trình Chẳng hạn tín hiệu báo ngẵt xuất PLC giai đoạn truyền thông kiểm tra nội bộ, PLC tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực ngắt vậy, thời gian vòng qt lớn có nhiều tín hiệu ngắt xuất vòng qt Do để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối khơng nên viết chương trình xử lý ngắt dài lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt chương trình điều khiển Tại thời điểm thực lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà thông qua nhớ đệm cổng vùng nhớ tham số Việc truyền thông đệm ảo với ngoại vi giai đoạn hệ điều hành CPU quản lý Ở số modul CPU, gặp lệnh vào/ra hệ thống cho dừng cơng việc khác, chương trình xử lý ngắt, để thực với cổng vào/ra 3.2 Vài nét cảm biến độ ẩm đất Thông số kĩ thuật - Sử dụng cảm biến độ ẩm HR202 - Điện áp cung cấp: 5V DC - Dòng điện cung cấp: 150mA - Có chiết áp điều chỉnh ngưỡng độ ẩm Hình 7: Module cảm biến độ ẩm đất điều khiển rơle Nguyên lí hoạt động Cảm biến đo độ ẩm có relay kích ngõ thường dùng để đo độ ẩm môi trường, khu vực cần kiểm tra độ ẩm Cảm biến đo độ ẩm môi trường xung quanh, vượt ngưỡng quy định xuất tín hiệu đóng tiếp điểm relay Độ ẩm điều chỉnh qua biến trở tinh chỉnh thiết kế sẵn board Mạch thiết kế nhỏ gọn, đơn giản dễ sử dụng, lắp đặt nhiều chỗ khác 3.3 Vài nét cảm biến nhiệt độ Thông số kĩ thuật - Điện áp cung cấp: 5V DC - Dòng tiêu thụ: 150mA - Điều khiển tải: 10A 250V AC 30V DC 10A - Dải nhiệt độ đo: -50°C ~ 110°C - Phạm điều chỉnh nhiệt độ: -50°C ~ 110°C Hình 8: Module cảm biến nhiệt độ điều khiển rơle Nguyên lí hoạt động Thiết bị đo nhiệt độ có relay kích ngõ điều chỉnh ngưỡng nhiệt độ mong muốn Thiết bị dùng để đo nhiệt độ mơi trường xung quanh sau điều khiển đóng mở relay ngõ để điều khiển thiết bị khác 3.4 Vài nét cảm biến khí ga MQ2 Thơng số kĩ thuật - Relay 5V đóng ngắt điện áp 220V 10A - Trạng thái hoạt động: + ( 0V): Bật Relay + ( 5V): Ngắt Relay - Kích thước Module: 50mmx20mm Hình 9: Module cảm biến khí ga MQ2 điều khiển rơle Nguyên lí hoạt động - Module dùng để phát khí gây cháy Nó cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất có độ nhạy cảm thấp với khơng khí Nhưng mơi trường có chất ngây cháy, độ dẫn thay đổi Chính nhờ đặc điểm người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy sang điện áp - Khi môi trường điện áp đầu cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu tăng nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 cao 3.5 Vài nét module cảm biến đa khí MQ135 Thơng số kĩ thuật - Điện áp nguồn: ≤24V DC - Khoảng phát hiện: 10-300 ppm NH3, 10 -1000 ppm Benzene, 10 - 300 Alcol - Kích thước: 32mm*20mm - Khoảng đo rộng - Bền, tuổi thọ cao - Phát nhanh, độ nhạy cao - Mạch đơn giản Hình 10: Module cảm biến đa khí MQ 135 Cảm biến MQ 135 phát chất khí NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2,… Khi nồng độ khí đạt ngưỡng thiết lập rơle đóng quạt thơng gió hoạt động 3.6 Vài nét Timer - Nguồn điện tiêu chuẩn hoạt động: 220VAC/50Hz - Bộ hẹn tắt/mở thiết bị tự động thông minh giúp tiết kiệm thời gian, thiết bị điện tự động tắt/mở với thời gian định trước Chỉ cần cài đặt lần cho thiết bị, timer làm việc đóng mở thời gian cài đặt nhớ không cho dù bị cúp điện (điều mà hẹn Hình 11: Timer không làm được) 3.7 Kết giải pháp Hệ thống hoạt động xác, an tồn, hiệu quả, thiết thực… 3.8 Đánh giá giải pháp 3.8.1 Tính sáng tạo - Lần đưa vào thực trường học; 3.8.2 Khả áp dụng - Có thể áp dụng rộng rãi cho trường học; - Có thể áp dụng cho trang trại, nhà máy, xí nghiệp, cơng ty - Có thể sản xuất theo đơn đặt hàng 3.8.3 Hiệu a) Kỹ thuật: - Giải pháp Kĩ thuật tiên tiến - Vật liệu chế tạo dễ tìm , thiết bị nhỏ gọn mang lại hiệu cao b) Kinh tế: - Giá thành sản phẩm hợp lí ( thấp giá thị trường 25% – 30%) ; - An toàn, tiện lợi cho người sử dụng - Tiết kiệm điện đến 15%-20% so với việc dùng hệ thống điện thông thường c) Xã hội: - Góp phần xây dựng ngơi trường tiên tiến, đại an tồn - Tiết kiệm thời gian , sức lao động - Góp phần bảo vệ môi trường phát triển bền vững GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ MỤC ĐÍNH NGHIÊN CỨU 4.1 Cơ sở thực tiễn lí luận dự án Trường THCS Bạch Sam có khn viên rộng 6.000 m2 với phòng mơn 12 phòng học, khu hiệu bộ, khu “Thư viện xanh”- Khu đọc sách ngồi trời với diện tích 1.200 m2 có nhiều bóng mát, bồn hoa, cảnh thiết kế hài hòa, hợp lý Vì vậy, việc chăm sóc xanh khuôn viên nhà trường đặc biệt việc cung cấp đủ độ ẩm cho ngày nhiều cơng sức Bên cạnh nhu cầu sử dụng điện lớn, thông qua giảng dạy nhiều hoạt động giáo dục khác, nhà trường thường xuyên tuyên truyền, giáo dục nhắc nhở ý thức sử dụng an toàn tiết kiệm điện Tuy nhiên phận học sinh thờ với việc tiết kiệm điện chưa ý đến nguyên tắc an toàn sử dụng điện Mặt khác, với khuôn viên rộng nên tiềm ẩn nhiều nguy bị kẻ xấu xâm nhập ảnh hưởng đến an ninh trường học Trong kì thi Sáng tạo khoa học kĩ thuật năm 2016-2017 có thăm quan gian trưng bày sản phẩm dự thi nghe nhà thông minh qua phương tiện thông tin đại chúng , chúng tơi có ý tưởng phải thiết kế ngơi trường thông minh với hệ thống điện gồm thành phần độc lập, hệ thống điện cấp cho lớp học, phòng mơn, đèn bảo vệ ; hệ thống tưới tự động, camera quan sát, trống báo tự động đảm bảo tính an tồn, tiết kiệm hiệu Để hệ thống nói hoạt động theo yêu cầu sử dụng Zen, Timer, module cảm biến điều khiển rơle Hệ thống điện dự án thiết kế trình bày 4.2 Giả thuyết khoa học Nếu thiết kế, chế tạo lắp đặt thành công: - Hệ thống điện nhà trường gồm thành phần độc lập đảm bảo tính an toàn, tiết kiệm - Hệ thống điện cấp cho lớp học phòng học mơn an tồn, tiện lợi, hiệu tiết kiệm - Hệ thống điện cho đèn bảo vệ hoạt động theo thời gian mong muốn - Hệ thống tưới tự động cho vườn trường - Hệ thống camera quan sát đảm bảo an ninh, trật tự nhà trường Thì cho phép khai thác tính hữu ích thiết bị giúp cho hoạt động vào lớp trường học nhịp nhàng, thời gian; điện sử dụng an toàn, hiệu tiết kiệm; an ninh trường học đảm bảo; hệ thống xanh cung cấp đủ độ ẩm ngày tạo cảnh quan, môi trường làm việc học tập đạt hiệu 4.3 Mục đích nghiên cứu dự án Thiết kế, chế tạo lắp đặt thành công hệ thống điện “ Ngôi trường thông minh” giúp cho hoạt động vào lớp trường học nhịp nhàng, thời gian; điện sử dụng an toàn, hiệu tiết kiệm; an ninh trường học đảm bảo; hệ thống xanh cung cấp đủ độ ẩm ngày tạo cảnh quan, môi trường làm việc học tập đạt hiệu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các phương pháp nghiên cứu sử dụng: - Điều tra việc sử dụng điện giáo viên học sinh, hoạt động chăm sóc xanh vườn trường, thời gian vào lớp, việc sử dụng thiết bị tự động hóa - Nghiên cứu lí thuyết thiết bị tự động hóa cụ thể là: + Nghiên cứu tính ứng dụng Module cảm biến nhiệt độ; cảm biến độ ẩm, cảm biến khí ga + Nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, cách cài đặt tính ứng dụng thiết bị điều khiển tự động PLC (Zen) hãng Mitsubishi - Thực nghiệm: Lắp ráp, thử nghiệm, đánh giá hoàn thiện sản phẩm - Khảo sát thực tế: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thiết kế, chế tạo lắp đặt thành công hệ thống điện “ Ngôi trường thông minh” theo yêu cầu đặt KẾT LUẬN Sau thời gian thiết kế, chế tạo lắp đặt thành công hệ thống điện “ Ngôi trường thông minh” theo yêu cầu đặt Hệ thống mang lại hiệu thiết thực, hệ thống đèn, quạt lớp học hoạt động ổn định, an toàn, tiết kiệm; hệ thống camera hoạt động giúp cho việc giám sát, quản lí xử lí vi phạm học sinh nhanh chóng, xác; xanh vườn trường cung cấp độ ẩm đặn nên tươi tốt HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Từ nảy sinh ý tưởng đến thực hoàn thành ý tưởng thời gian ngắn nên dừng lại việc lắp hệ thống điện tồn trường, nhóm chúng tơi có hướng tiếp tục nghiên cứu để hoàn thành ý tưởng lắp đặt thêm trống báo học tự động để việc vào lớp đồng thời giảm bớt việc cho thầy cô giáo trực ban.Để lắp đặt hệ thống trống báo tự động chúng tơi nghiên cứu tìm hiểu dùng Zen để điều khiển thống trống tự động Zen vi xử lí lập trình để điều khiển tự động thời gian đầu Mạch phát Từ Zen tới âm khuếch âm Tuy nhiên thời gian có hạn nên nhóm chúng tơi chưa hồn thiện ý tưởng này, mong thời gian tới nhận giúp đỡ ban giám hiệu thầy cô để chúng tơi hồn thiện sản phẩm cho sản phẩm hồn thiện úng dụng rộng dãi TÀI LIỆU THAM KHẢO Các loại cảm biến ứng dụng dientuvn.com PLC 20C1AR-A-V2 From Google search Cảm biến nhiệt độ điều khiển Relay From Google search Cảm biến độ ẩm điều khiển Relay From Google search Cảm biến khí, khí ga điều khiển Relay From Google search Cảm biến ánh sáng điều khiển Relay From Google search Timer From Google search Người hướng dẫn Vũ Thị Nội Nhóm học sinh Nguyễn Triệu Tùng Phạm Thị Vân Anh ... TĨM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Kính gửi: Ban Tổ chức Cuộc thi Khoa học kỹ thuật cấp Tỉnh dành cho học sinh trung học năm h `1 Phạm Thị Vân Anh Học sinh lớp: 9A - Trường THCS Bạch Sam – Mỹ Hào –... B, cấp điện cho hệ thống camera, qua Timer cấp điện cho hệ thống lớp học - Đường C cấp điện cho hệ thống camera quan sát, qua Timer tới lớp học, phòng thí nghiệm, phòng học mơn, phòng tin học. .. Trong kì thi Sáng tạo khoa học kĩ thuật năm 2016-2017 chúng tơi có thăm quan gian trưng bày sản phẩm dự thi nghe nhà thông minh qua phương tiện thông tin đại chúng , có ý tưởng phải thi t kế