Một trong những ứng dụng củarất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là các mạch cảm biến với các linh kiệntích hợp cao.. Mạch cảm biến được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và các
GIỚI THIỆU ARDUINO UNO R3
GIỚI THIỆU
Arduino Uno R3 (Dip) có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.
Vi điều khiển ATmega328 chỉ hỗ trợ hai mức điện áp là 0V và 5V, với dòng vào/ra tối đa là 40mA trên mỗi chân Mỗi chân đều được trang bị các điện trở pull-up từ, tuy nhiên, các điện trở này không được kết nối mặc định.
Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở, sử dụng vi điều khiển Microchip ATmega328, được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch này có các chân đầu vào/đầu ra Digital và Analog, cho phép giao tiếp với nhiều bảng mạch mở rộng khác nhau.
Mạch Arduino Uno là lựa chọn lý tưởng cho những ai muốn khám phá điện tử và lập trình, nhờ vào nền tảng mở từ Arduino.cc, giúp người dùng dễ dàng xây dựng các dự án như lập trình robot, xe tự hành và điều khiển đèn LED.
Vi điều khiển ATmega328 có điện trở pull-up 40mA được cài đặt ở mỗi chân, tuy nhiên, các điện trở này không được kết nối mặc định.
Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở, sử dụng vi điều khiển Microchip ATmega328, được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch này có các chân đầu vào/đầu ra Digital và Analog, cho phép giao tiếp với nhiều bảng mạch mở rộng khác nhau.
Mạch Arduino Uno là lựa chọn lý tưởng cho những ai muốn khám phá điện tử và lập trình, nhờ vào nền tảng mở từ Arduino.cc, giúp người dùng dễ dàng xây dựng các dự án như lập trình robot, xe tự hành và điều khiển đèn LED.
Hình 2 Ứng dụng của Arduino Uno R3
CHỨC NĂNG CỦA ARDUINO R3
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive
Arduino Uno có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác thông qua dữ liệu TTL Serial qua 2 chân Kết nối Bluetooth thường được sử dụng trong các ứng dụng này, cho phép truyền tải thông tin một cách dễ dàng và hiệu quả.
Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, và 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit, giúp điều chỉnh điện áp ra từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này mang lại khả năng linh hoạt hơn so với các chân khác chỉ có mức điện áp cố định 0V và 5V.
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài việc thực hiện các chức năng cơ bản, bốn chân này còn hỗ trợ truyền dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
Trên bo mạch Arduino UNO, có một đèn LED màu cam được ký hiệu là chữ L, nằm ở chân số Khi bạn nhấn nút Reset, đèn LED này sẽ nhấp nháy để thông báo trạng thái khởi động lại.
13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino Uno R3 có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
Arduino UNO sử dụng độ phân giải 10bit (0 → 2^10 - 1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V đến 5V Chân AREF trên board cho phép bạn cung cấp điện áp tham chiếu cho các chân analog, ví dụ, nếu cấp 2.5V vào chân này, các chân analog có thể đo điện áp từ 0V đến 2.5V với độ phân giải 10bit Ngoài ra, Arduino UNO còn có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Hình 3 Sơ đồ các chân của Arduino Uno R3
THÔNG SỐ KỸ THUẬT ARDUINO UNO R3 (DIP)
Bảng 1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT ARDUINO UNO R3
Connectivity I²C, SPI, UART / USART, USB
Peripherals Brown-out Detec t/ Reset, HLVD, POR, PWM,
Package / Case 28-SOIC (0.295″, 7.50mm Width)
Bảng mạch tích hợp một LED nối vào chân D13, cho phép LED sáng khi chân ở mức cao (HIGH) và tắt khi ở mức thấp (LOW).
VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
IOREF là chân trên Arduino UNO cho phép đọc điện áp hoạt động của vi điều khiển Tuy nhiên, chân IOREF không được sử dụng để cấp nguồn.
32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
SRAM (Static Random Access Memory) có dung lượng 2 KB, nơi lưu trữ giá trị của các biến đã khai báo Số lượng biến khai báo càng nhiều thì càng tiêu tốn nhiều bộ nhớ RAM Khi nguồn điện bị mất, dữ liệu trên SRAM sẽ bị xóa bỏ.
1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.
CÁC CHÂN ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA
Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead().
Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-50 ohm
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch.
Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặc biệt:
Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu (TX) TTL.
PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng hàm analogWrite ().
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Các chân này hỗ trợ giao tiếp
SPI bằng thư viện SPI.
Bảng mạch tích hợp một LED kết nối với chân D13, cho phép LED sáng khi chân nhận giá trị mức cao (HIGH) và tắt khi ở mức thấp (LOW).
TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
GIỚI THIỆU CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ-2
GIỚI THIỆU
Cảm biến MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 với độ dẫn điện thấp trong không khí sạch, nhưng khi có khí dễ cháy, độ dẫn điện của nó tăng lên Nồng độ khí dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 càng lớn, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng MQ-2 có độ nhạy cao với LPG, propane, hydrogen, mê-tan (CH4) và các hơi dễ bắt lửa khác, đồng thời có chi phí thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở.
Hình 4 Cảm biến khí GAS MQ-2
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Bảng 2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT MQ-2
Phạm vi phát hiện 300 10000ppmm Đặc điểm của khí 1000ppmm isobutan Độ nhạy sáng R in air/Rin typical gas≥5
Dòng tiêu thụ khi nóng ≤ 180mA Điện áp khi nóng 5.0V ± 0.2V
Năng lượng khi nóng ≤ 900mW Điện áp đo ≤ 24V
Nhiệt độ -20 ℃ ~ 55 ℃ Độ ẩm ≤ 95% RH
Hàm lượng oxy môi trường 21%
Nhiệt độ -20 ℃ ~ 70 ℃ Độ ẩm ≤ 70% RH
CÁC LOẠI KHÍ CẢM BIẾN PHÁT HIỆN
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG
Đo lường hàm lượng chất gây cháy trong không khí và cung cấp điện áp tương ứng ở chân AO Ứng dụng này giúp phát hiện khí gas và các khí dễ cháy, góp phần quan trọng trong công tác phòng chống cháy nổ.
GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN KHÁC
BUZZER
Còi Buzzer 5VDC nổi bật với tuổi thọ cao và hiệu suất ổn định, đảm bảo chất lượng tốt cho các ứng dụng Sản phẩm được thiết kế nhỏ gọn, lý tưởng cho việc tích hợp vào các mạch còi buzzer và mạch báo động.
Bảng 3 THÔNG SỐ KỸ THUẬT BUZZER
Dòng điện tiêu thụ 80 dB
Nhiệt độ hoạt động -20 °C đến +70 °C
LED
LED, hay còn gọi là "Light Emitting Diode" (Điốt phát quang), là một loại điốt có khả năng phát ra ánh sáng, tia tử ngoại và hồng ngoại Về mặt chuyên môn, LED được hình thành từ sự kết hợp giữa khối bán dẫn P và khối bán dẫn N, tạo ra hiện tượng phát sáng.
Bảng 4 THÔNG SỐ KỸ THUẬT LED
Quang thông Thông số quan trọng đầu tiên cần chú ý khi mua đèn
Quang thông của đèn LED được đo bằng lumen (lm) và tỷ lệ thuận với công suất; tức là, công suất càng cao thì quang thông càng lớn Thông số này thể hiện tổng lượng ánh sáng mà đèn LED phát ra.
Hiệu suất phát quang Để lựa chọn được đèn LED tiết kiệm điện, cần chọn đèn có thông số này đạt từ 100-130 (lm/w).
Các loại đèn LED nhà xưởng cao cấp có hiệu suất phát quang đạt 130lm/w giúp đảm bảo ánh sáng và tiết kiệm điện.
Chỉ số hoàn màu (CRI) là thước đo độ chân thực của màu sắc các vật thể dưới ánh sáng đèn LED Để đảm bảo không gian chiếu sáng đạt yêu cầu về độ chính xác màu sắc, nên lựa chọn đèn LED có chỉ số CRI cao.
Ví dụ: khi chiếu sáng cho nhà xưởng cần sử dụng đèn LED có chỉ số CRI > 85Ra.
Nhiệt độ màu ánh sáng, đo bằng đơn vị Kelvin (K), là thông số quan trọng để xác định màu sắc của ánh sáng Đèn LED ánh sáng trắng thường có nhiệt độ màu trong khoảng từ 5500 đến 6700K, trong khi ánh sáng trắng ấm (vàng) có nhiệt độ màu thấp hơn.
Chỉ số IP của đèn LED phản ánh khả năng chống bụi và nước, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của sản phẩm Các loại đèn LED dành cho không gian ngoài trời thường có chỉ số IP cao hơn, từ IP65 trở lên, để đảm bảo độ bền và hiệu suất sử dụng.
Chip led là bộ phận đầu tiên với vai trò quan trọng nhất trong việc tạo ra nguồn sáng cho bóng đèn led.
Trong chip led có chứa LED cùng các chất bán dẫn để phát sáng
Chip led bao gồm chip bán dẫn được cấu tạo từ các tạp chất, tạo ra tiếp giáp P-N Trong cấu trúc này, kênh P chứa lỗ trống, trong khi kênh N chứa điện tử.
Khi có dòng điện chạy qua, chất bán dẫn N lấp đầy chất bán dẫn P sẽ tạo ra sự phát sáng.
Trong đó, LED được chia làm 3 loại chính theo từng dải công suất cỡ nhỏ,trung bình và lớn.
LED cỡ trung bình tiêu thụ dòng điện tối đa 100 mA, được thiết kế với chân cắm vào mạch in hoặc dạng chip 4 chân để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt.
LED có lớn thích hợp cho dòng điện tiêu thụ lên tới vài Ampe và có hiệu suất chiếu sáng cao tới 105 lm/w.
Nguyên lý hoạt động của đèn led nhờ sự tác động giữa nguồn điện cùng điốt phát sáng.
Đèn led phát sáng khi chip led dựa trên công nghệ bán dẫn Trong chip led có khối bán dẫn chứa hai cực P và N.
Cực P chứa các lỗ trống tự do mang điện tích dương Khi kết hợp với cực N, các lỗ trống sẽ di chuyển vào khối bán dẫn N.
Tại nơi tiếp giáp giữa hai khối bán dẫn có chứa lỗ trống hút các phân tử điện tử để lấp đầy.
Khi các điện tích di chuyển về phía lỗ trống, chúng tạo ra nguyên tử trung hòa Quá trình này lấp đầy lỗ trống sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng, hay còn gọi là bức xạ ánh sáng.
Điện năng có khả năng chuyển đổi điện tử thành năng lượng ánh sáng mạnh mẽ, vì vậy đèn LED được xem là một thiết bị chiếu sáng hiệu quả, giúp tiết kiệm điện năng.
Hình 7 Nguyên lý hoạt động của LED 4.2.5 NGUYÊN LÝ ĐỔI MÀU
4.2.5.1 Nguyên lý đổi màu ánh sáng giữa hai cực PN
Nguyên lý hoạt động của đèn LED đổi màu dựa vào nhiệt độ màu, quyết định màu sắc ánh sáng phát ra Màu sắc này phụ thuộc vào chất liệu của khối P và khối N, trong đó sự khác biệt về chất liệu giữa hai khối PN sẽ tạo ra năng lượng ánh sáng mạnh mẽ hơn.
Màu sắc của ánh sáng được hình thành khi có năng lượng ánh sáng theo từng loại: ánh sáng trắng; ánh sáng xanh dương; ánh sáng màu tím,…
4.2.5.2 Nguyên lý phát sáng từ phương pháp bột huỳnh quang
Đèn led phát sáng theo các màu khác nhau từ phương pháp bột huỳnh quang, bột phốt pho để có ánh sáng trắng.
Đèn LED đổi màu ánh sáng thông qua việc sử dụng bột phốt pho NdYAG được phủ lên bề mặt chip màu xanh dương, giúp đèn LED chuyển từ màu xanh sang các màu khác.
Chip led được phủ bột phốt pho màu xanh dương sẽ hình thành ánh sáng vàng.
Dùng thấu kính giữa ánh sáng vàng và xanh dương sẽ cho đèn led ánh sáng trắng
Đèn LED hoạt động dựa trên sự tác động của điện năng lên hai loại chất bán dẫn, tạo ra bức xạ ánh sáng Nguyên lý này không chỉ giúp đèn LED phát sáng hiệu quả mà còn mang lại tuổi thọ cao, giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc.
4.2.6 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM
4.2.6.1 Ưu điểm của đèn Led
Đèn LED có tuổi thọ cao gấp 50-100 lần so với bóng đèn sợi đốt, với thời gian sử dụng từ 30.000 đến 100.000 giờ Hầu hết các đèn LED thương mại thường có tuổi thọ từ 30.000 đến 50.000 giờ, cho phép người dùng sử dụng từ 10 đến 30 năm tùy thuộc vào thời gian hoạt động hàng ngày Tuổi thọ cao này giúp giảm chi phí bảo trì, làm cho đèn LED trở thành lựa chọn lý tưởng cho các vị trí khó tiếp cận như đèn nhà xưởng hay đèn đường, nơi mà chi phí bảo trì có thể rất lớn.
Hiệu suất phát quang cao – tiết kiệm điện
Từ năm 2002, sản lượng ánh sáng của đèn LED đã tăng từ 20 lm/W lên 150 lm/W ở các thiết bị thương mại hiện nay, với một số bóng đèn thử nghiệm đạt tới 208 lm/W Hiệu suất này vượt xa đèn sợi đốt (15 lm/W) và đèn huỳnh quang (80-95 lm/W) Nhờ hiệu suất cao, đèn LED tiêu thụ điện năng thấp hơn, cho phép hoàn vốn chỉ trong khoảng một năm tùy theo thời gian sử dụng.
Đèn truyền thống không được khuyến cáo sử dụng do chứa thủy ngân, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và môi trường.
LCD
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vi điều khiển (VĐK) LCD mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các loại hiển thị khác, bao gồm khả năng hiển thị đa dạng các ký tự như chữ, số và đồ họa, dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng.
4.3.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT, CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA LCD
Hình 9 Sơ đồ chân LCD 16 x 2 Bảng 5 Thông số kỹ thuật LCD 16 x 2
- Điện áp ra mức cao > 2.4
- Điện áp ra mức thấp đúng
Bước 4 : Xác định chân chạy của biến trở
Bằng cách đo chân còn lại với một trong hai chân bất kỳ Chúng ta thấy giá trị biến trở nhỏ hơn giá trị của biến trở
Kiểm tra : xoay biến trở thì đồng hồ thay đổi giá trị điện trở => đúng.
=> Như vậy với các bước đơn giản cùng đồng hồ VOM chúng ta đã biết được cách đo biến trở 3 chân.
Transistor 2N2222 NPN
Transistor 2N2222 NPN được cấu tạo từ ba lớp bán dẫn ghép lại, tạo thành hai mối nối P-N và thuộc loại transistor nghịch NPN Sản phẩm này được sản xuất theo chuẩn TO92, với thứ tự các chân từ trái qua phải là E, B, C.
Dòng điện cực đại: Ic= 600mA
Công suất cực đại: Pc= 625mW
Hệ số khuếch đại( hfe): 100-300
Tần số cắt: Ft >300MHz
Điện trở 220 ohm
Nút bấm (Push button omron B3F)
Hình 22 Nút bấm (Push button omron B3F)
THIẾT KẾ MẠCH
SƠ ĐỒ MẠCH MÔ PHỎNG
Hình 23 Sơ đồ mô phỏng proteus khi giá trị đọc được nhỏ hơn 350
SƠ ĐỒ MẠCH 3D
Hình 25 Sơ đồ mạch 3D khi giá trị đọc được chưa vượt quá 350
Hình 26 Sơ đồ mạch 3D khi giá trị đọc được vượt quá 350
CODE
In the setup function of the code, the LCD is initialized with backlight and cleared for display The LED and buzzer pins are configured as outputs, while the MQ2 sensor pin is set as an input Additionally, a button pin is defined with a pull-up resistor Initially, both the LED and buzzer are turned off by setting their output to low.
} void loop() { smokeValue = analogRead(mq2Pin); lcd.setCursor(0, 0); if (smokeValue
