Giáo án chuyên đề công nghệ 10 thiết kế cánh diều bài 7: Cảm biến trong ngôi nhà thông minh

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS làm việc cặp đôi, đọc thông tin mục I. Một số cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh, và trả lời câu hỏi: Hãy cho biết các loại cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh và nêu một số ứng dụng của chúng.

à Gợi ý:

+ Nêu đầy đủ 4 loại cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh:

·   Cảm biến ánh sáng

·   Cảm biến nhiệt độ

·   Cảm biến độ ẩm

·   Cảm biến hồng quang

+ Nêu ứng dụng của từng loại cảm biến theo nội dung bài học.

+ Một số loại cảm biến khác:

·        Cảm biến rõ khí ga

·        Cảm biến báo khói, báo cháy

·        Cảm biến mưa

·        Cảm biến độ ẩm trong đất

·        …

Bước 2: HS tiếp nhận, thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS làm việc cặp đôi đọc thông tin mục I để tìm hiểu về một số loại cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động, thảo luận

- GV mời đại diện một số HS trình bày kết quả.

- GV yêu cầu các HS khác lắng nghe, nhận xét, nêu ý kiến bổ sung (nếu có).

Bước 4: Đánh giá kết quả thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV nhận xét, đánh giá và kết luận về một số cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh.

- GV chuyển sang nội dung mới.

1. Tìm hiểu về một số cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh

- Nhờ có cảm biến, các chế độ làm việc tự động của các thiết bị điện, điện tử được thực hiện đúng yêu cầu của người dúng, đem lại tính tiện nghi, an toàn và tiết kiếm năng lượng cho ngôi nhà thông minh.

- Phân loại:

+ Theo nguyên lí làm việc

+ Theo tín hiệu đầu vào

+ Theo tính năng và ứng dụng

- Các loại cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh:

+ Cảm biến ánh sáng: điều chỉnh cường độ chiếu sáng; hệ thống đóng, mở rèm cửa; hệ thống giàn phơi,…

+ Cảm biến nhiệt độ:  điều khiển đóng, cắt nguồn điện cho quạt điện, máy điều hòa không khí; tốc độ quạt hay nhiệt độ của máy điều hòa,…

+ Cảm biến độ ẩm: hút ẩm của máy điều hòa không khí, máy hút ẩm; hệ thống tưới giàn hoa hay tưới vườn cây; hệ thống phun sương hơi nước,…

+  Cảm biến hồng ngoại: điều khiển bật, tắt đèn tự động khi có người trong phòng khách, phòng ngủ, hành lang; hệ thống đóng, mở cửa ra vào tự động; hệ thống báo động khi có người lạ đột nhập,…

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV trình chiếu hình ảnh, video về hoạt động của một số cảm biến thông dụng.

Cảm biến quang

Cảm biến áp suất

Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến tiệm cận

https://www.youtube.com/watch?v=J_KoRp8SnoE

- GV yêu cầu HS quan sát các hình, đọc nội dung mục II. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số cảm biến và trả lời câu hỏi:

+ Nêu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến ánh sáng CdS.

à Gợi ý:

·        Cấu tạo

ü Tế bào quang dẫn CdS

ü Mạch điện tử

ü Bộ chuyển đổi cường độ ánh sáng thành điện áp ra

·        Nguyên tắc hoạt động

ü Khi cường độ ánh sáng thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở của tế bào quang dẫn CdS.

ü Giá trị điện trở trên CdS qua mạch điện tử và bộ chuyển đổi sẽ có điện áp tương ứng trên thiết bị cảm biến.

+ Nêu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến nhiệt độ sử dụng diode.

à Gợi ý:

·        Cấu tạo

ü Diode cảm nhận nhiệt độ

ü Mạch điện tử

ü Bộ chuyển đổi điện áp với nhiệt độ

·        Nguyên tắc hoạt động

ü Khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi giá trị điện áp trên diode.

ü Khi nhiệt độ càng tăng thì điện áp rơi trên diode càng giảm.

ü Giá trị điện áp trên diode qua mạch điện tử và bộ chuyển đổi sẽ có điện áp ra tương ứng với nhiệt độ

+ Em hãy cho biết cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến độ ẩm điện trở.

à Gợi ý:

·        Cấu tạo

ü Phần tử cảm biến độ ẩm điện trở

ü Mạch điện trở

ü Bộ chuyển đổi và điện áp ra tương ứng với độ ẩm

·        Nguyên tắc hoạt động

ü Khi độ ẩm thay đổi sẽ làm thay đổi giá trị điện trở của phần tử cảm biến

ü Giá trị điện trở này thông qua mạch điện tử và bộ chuyển đổi sẽ có điện áp ra tương ứng với độ ẩm

+ Nêu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến hồng ngoại thụ động và chủ động. So sánh sự khác nhau giữa hai loại cảm biến này.

à Gợi ý:

·        Cảm biến hồng ngoại thụ động

ü Cấu tạo

o   Tế bảo quang dẫn PbS

o   Mạch điện tử

o   Bộ chuyển đổi cường độ ánh sáng thành điện áp ra

ü Nguyên tắc hoạt động: Khi có người vào vùng cảm nhận sóng hồng ngoại, nhiệt độ cơ thể làm thay đổi giá trị điện trở, qua mạch điện tử và bộ chuyển đổi sẽ làm thay đổi điện áp ra của thiết bị cảm biến.

·        Cảm biến hồng ngoại chủ động

ü Cấu tạo

o   Bộ phận phát tia hồng ngoại: đèn LED hồng ngoại

o   Bộ phận thu tương tự cảm biến hồng ngoại thụ động

ü Nguyên tắc hoạt động: Bộ phần phát tia hồng ngoại khi gặp vật thể, sóng hồng ngoại sẽ phản hồi về; thay đổi điện trở của bộ phận thu ánh sáng hồng ngoại dẫn đến điện áp đầu ra thay đổi.

·        Sự khác nhau:

ü Thiết bị cảm biến hồng ngoại chủ động có thêm bộ phận phát tia hồng ngoại

ü Khoảng cách cảm nhận

o   Thiết bị thụ động rất gần (1 – 3 m)

o   Thiết bị chủ động xa hơn (3 – 40 m)

Bước 2: HS quan sát, thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS quan sát hình ảnh, video về hoạt động của cảm biến thông dụng.

- HS quan sát hình, đọc nội dung mục II và trả lời câu hỏi.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động, thảo luận

- GV mời đại diện HS trình bày về:

+ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến ánh sáng CdS

+ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến nhiệt độ sử dụng diode

+ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến độ ẩm điện trở

+ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến hồng ngoại thụ động và chủ động (nêu rõ sự khác nhau)

- GV yêu cầu các HS khác lắng nghe, nhận xét, nêu ý kiến bổ sung (nếu có).

Bước 4: Đánh giá kết quả thực hiện nhiệm vụ, học tập

- GV nhận xét, đánh giá và kết luận về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số cảm biến.

- GV chuyển sang nội dung mới.

2. Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số cảm biến

a) Cảm biến ánh sáng

- Cảm biến ánh sáng (cảm biến quang điện) chuyển đổi thông tin từ ánh sáng nhìn thấy thành tín hiệu điện.

- Cấu tạo:

+ Tế bào quang dẫn CdS

+ Mạch điện tử

+ Bộ chuyển đổi cường độ ánh sáng thành điện áp ra

- Nguyên tắc hoạt động

+ Cường độ ánh sáng thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở của tế bào quang dẫn

+ Giá trị của điện trở trên tế bào quang dẫn qua mạch điện tử và bộ chuyển đổi sẽ có giá trị điện áp ra tương ứng.

b) Cảm biến nhiệt độ

- Cảm biến nhiệt độ cảm nhận nhiệt độ thành tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà thông minh.

- Cảm biến nhiệt độ bằng các phần tử bán dẫn như diode, transistor được sử dụng rộng rãi vì có độ nhạy, nhỏ gọn, giá thành hợp lí. Hai loại cảm biến này dựa trên mức độ phân cực của các loại hạt mang điện theo nhiệt độ môi trường.

- Cấu tạo:

+ Diode cảm nhận nhiệt độ

+ Mạch điện tử

+ Bộ chuyển đổi và điện áp ra tương ứng theo nhiệt độ

- Nguyên tắc hoạt động:

+ Khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trên diode; khi nhiệt độ cao thì điện áp trên diode nhỏ và ngược lại.

+ Giá trị điện áp trên diode qua mạch điện tử và bộ chuyển đổi sẽ có điện áp ra tương ứng.

c) Cảm biến độ ẩm

- Cảm biến độ ẩm là thiết bị cảm nhận độ ẩm để chuyển đổi thành tín hiệu điện.

- Phân loại:

+ Dựa trên nguyên tắc khi độ ẩm thay đổi thì tính chất của vật liệu thay đổi như điện trở (R), điện dụng (C),...

+ Dựa trên nguyên tắc ngưng tụ, điện li,… xác định trực tiếp độ ẩm.

- Cấu tạo:

+ Điện trở

+ Mạch điện tử

+ Bộ chuyển đổi và điện áp ra tương ứng theo độ ẩm

- Nguyên tắc hoạt động:

+ Khi độ ẩm thay đổi thì điện trở cảm biến thay đổi; khi độ ẩm cao thì điện trở thấp và ngược lại.

+ Giá trị điện trở trên cảm biến qua mạch điện tử và bộ chuyển đổi thì điện áp ra của thiết bị cảm biến độ ẩm có giá trị tương ứng.

d) Cảm biến hồng ngoại

- Ánh sáng hồng ngoại là loại ánh sáng mắt người không nhìn thấy được nên cảm biến hồng ngoại được coi là cảm biến ánh sáng có phổ hồng ngoại.

- Cấu tạo:

+ Tế bao quang dẫn PdS

+ Mạch điện tử

+ Bộ chuyển đổi cường độ ánh sáng thành điện áp ra

- Nguyên tắc hoạt động: Người vào vùng cảm biến à tế bào quang dẫn PdS cảm nhận à thu tín hiệu hồng ngoại à mạch điện tử và bộ chuyển độ à thay đổi điện áp ra của cảm biến.

- Phân loại:

+ Thiết bị hồng ngoại thụ động:

·        Loại cảm biến hồng ngoại: PdS

·        Chỉ có bộ phận thu bức xạ hồng ngoại

·        Phạm vi phát hiện: 1 – 3 m

+ Thiết bị hồng ngoại chủ động:

·        Bộ phận phát tia hồng ngoại (đèn LED hồng ngoại) và bộ thu bức xạ hồng ngoại

·        Phạm vi phát hiện: 3 – 40 m

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS làm việc cá nhân, đọc thông tin mục I.1. Thiết bị điều khiển từ xa, kết hợp quan sát Hình 6.1 SGK tr.38, và trả lời câu hỏi: Nêu một số thiết bị điều khiển từ xa cho ngôi nhà thông minh và chức năng của chúng.

+ Thiết bị điều khiển từ xa là máy tính, máy tính bảng, điện thoại thông minh có kết nối với mạng Internet và sử dụng phần mềm ứng dụng điều khiển ngôi nhà thông minh.

+ Thiết bị điều khiển từ xa có chức năng điều khiển và giám sát từ xa các thiết bị điện, điện tử trong ngôi nhà thông minh qua mạng Internet.

- GV yêu cầu HS làm việc cá nhân, đọc nội dụng mục I.2. Internet và trả lời câu hỏi: Trình bày chức năng của mạng Internet trong hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh.

à Gợi ý: Internet là hệ thống thông tin toàn cầu có chức năng trao đổi thông minh giữa thiết bị điều khiển từ xa và bộ điều khiển trung tâm trong hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh.

- GV yêu cầu HS làm việc nhóm đôi, đọc nội dung mục I.3. Bộ điều khiển trung tâm và trả lời câu hỏi:

+ Tại sao bộ điều khiển trung tâm phải kết nối mạng Internet?

+ Nêu chức năng của bộ điều khiển trung tâm.

à Gợi ý :

+ Bộ điều khiển trung tâm là bộ não của ngôi nhà thông minh, kết nối không hoặc có dây với các thiết bị khác trong ngôi nhà: công tắc thông minh và cảm biến.

+ Chức năng của bộ điều khiển trung tâm là thu nhận thông tin từ thiết bị điều khiển từ xa hoặc từ cảm biến để điều khiển công tắc thông minh, thực hiện đóng cắt nguồn điện các thiết bị điện, điện tử trong nhà làm việc theo đúng yêu cầu của người dùng.

- GV yêu cầu HS làm việc nhóm, quan sát hình 6.2 SGK tr.39 và đọc nội dung mục I.4. Công tắc thông minh để trả lời câu hỏi: Nêu sự khác biệt của công tắc thông minh so với công tắc thông thường.

à Gợi ý:

+ Sự giống nhau: Điều khiển bật, tắt công tắc bằng tay.

+ Sự khác nhau: Công tắc thông minh có thêm phương thức điều khiển tự động bằng tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm. Vì vậy, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của công tắc thông minh giống như một ralay: bật, tắt tiếp điểm công tắc theo tín hiệu điều khiển.

- GV yêu cầu HS làm việc nhóm, đọc nội dụng mục I.5. Thiết bị điện, điện tử và trả lời câu hỏi: Hãy kể một số thiết bị điện, điện tử trong ngôi nhà của em.

à Gợi ý: Mỗi HS sẽ tự kể tên các thiết bị điện trong gia đình của mình.

- GV yêu cầu HS làm việc nhóm, đọc nội dung mục I.6. Cảm biến và trả lời câu hỏi: Nêu chức năng của cảm biến. Hãy kể tên một số loại cảm biến mà em biết.

à Gợi ý:

+ Chức năng của cảm biến là cảm nhận và biến đổi các tín hiệu đầu vào là các đại lượng vật lú như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ quay, vận tốc chuyển động,… thành tín hiệu đầu ra là các đại lượng điện như điện áp, dòng điện,…

+ Các cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy, báo khói,…

- GV yêu cầu HS làm việc theo cặp, quan sát hình 6.1 SGK tr.38 và đọc nội dụng mục I.7. Kết nối các thiết bị trong hệ thống điều khiển để trả lời câu hỏi: Các thiết bị trong hệ thống điều khiển kết nối với nhau như thế nào?

à Gợi ý:

+ Các thiết bị trong sơ đồ khối hình 6.1 được kết nối với nhau theo 2 phương thức:

·        Kết nối có dây giữa các phần tử: công tắc thông minh với thiết bị điện, điện tử; bộ điều khiển trung tâm với cảm biến và công tắc thông minh qua các cổng kết nối trực tiếp của bộ điều khiển trung tâm với các địa chỉ xác định để nhận biết và trao đổi thông tin.

·        Kết nối không dây qua mạng Wifi giữa bộ điều khiển trung tâm với cảm biến và công tắc thông minh với các địa chỉ xác định để nhận biết và trao đổi thông tin.

Bước 2: HS tiếp nhận, thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS làm việc cá nhân, cặp đội, theo nhóm đọc thông tin mục I, kết hợp quan sát Hình 6.1, 6.2 SGK tr.38, 39 để tìm hiểu về sơ đồ khối hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh.

- GV hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động, thảo luận

- GV mời đại diện một số HS trình bày kết quả.

- GV mời đại diện HS trả lời các câu hỏi thảo luận cặp đôi, nhóm.

- GV yêu cầu các HS khác lắng nghe, nhận xét, nêu ý kiến bổ sung (nếu có).

Bước 4: Đánh giá kết quả thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV nhận xét, đánh giá và kết luận về sơ đồ khối hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh.

- GV chuyển sang nội dung mới.

1. Tìm hiểu về sơ đồ khối hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh

- Thiết bị điều khiển từ xa:

+ Máy tính, điện thoại thông minh có kết nối Internet.

+ Chức năng: Điều khiển, giám sát từ xa các thiết bị điện, điện tử trong ngôi nhà qua mạng Internet.

- Internet:

+ Kết nối hệ thống máy tính, thiết bị điện tử cá nhân như điện thoại, máy tính bảng,…

+ Chức năng: Trao đổi thông tin giữa thiết bị điều khiển từ xa và bộ điều khiển trung tâm trong hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh.

- Bộ điều khiển trung tâm:

+ Là bộ não, kết nối có dây hoặc không dây với các thiết bị khác trong ngôi nhà.

+ Cấu tạo phức tạp.

+ Chức năng: Thu thập thông tin từ thiết bị điều khiển từ xa hoặc từ các cảm biến.

- Công tắc thông minh:

+ Điều khiển bằng tay hoặc tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm.

+ Chức năng: Đóng, cắt nguồn điện theo tín hiệu điều khiển.

+ Nguyên tắc hoạt động như một relay.

+ Kết nối không dây hoặc có dây.

- Thiết bị điện, điện tử:

+ Thiết bị giải trí: ti vi, máy (dàn) âm thành,…

+ Thiết bị điện gia dụng: đèn điện, quạt điện, bếp điện, máy điều hòa không khí,…

+ Thiết bị an ninh: camera, chuông báo động,…

+ Chức năng: đóng, mở cửa ra vào, rèm cửa sổ, tưới tự động cho giàn hoa, cây cảnh,…

+ Một số thiết bị điện, điện tử kết nối với Internet, được điều khiển, giám sát trực tiếp từ thiết bị điều khiển từ xa thông qua Internet.

- Cảm biến:

+ Cảm nhận và biến đổi với tín hiệu đầu vào (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm,…) thành tín hiệu đầu ra (điện áp, dòng điện,…).

+ Tai, mắt của hệ thống điều khiển.

+ Các thông số vật lí được theo dõi, đo lường phục vụ cho hệ thống điều khiển.

- Kết nối các thiết bị trong hệ thống điều khiển:

+ Kết nối không dây hoặc có dây.

+ Kết nối giữa các thiết bị để trao đổi tín hiệu

+ Phương thức kết nối:

·        Kết nối có dây giữa công tắc thông minh – thiết bị điện, điện tử; kết nối có dây giữa bộ điều khiển trung tâm với các cảm biến, công tắc thông minh qua các cổng kết nối trực tiếp (có địa chỉ xác định).

·        Kết nối không dây qua mạng Wifi giữa bộ điều khiển trung tâm với cảm biến và công tắc thông minh (có địa chỉ xác định).