Các mục tiêu cụ thể bao gồm: - Tổng quan về các loại cảm biến có trong điện thoại - Nguyên lý hoạt động của từng loại cảm biến - Thông số kỹ thuật chi tiết và ứng dụng thực tế của từng
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
BÁO CÁO MÔN: CẢM BIẾN & THIẾT BỊ THÔNG MINH
ĐỀ TÀI: TRÌNH BÀY CÁC CẢM BIẾN CÓ TRONG ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT
Trang 2DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN CỦA NHÓM
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên Nguyễn Hoàng Hiếu, người đã
tận tình giảng dạy và hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập và thực hiện bàibáo cáo này Sự hướng dẫn tận tình, những lời khuyên quý báu và sự hỗ trợ khôngngừng nghỉ của thầy/cô đã giúp em hoàn thành tốt bài báo cáo này Em cũng xincảm ơn thầy/cô vì đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được tiếp cận và tìm hiểu sâuhơn về các hệ thống công nghệ hiện đại, đặc biệt là hệ thống quản lý tòa nhà thôngminh Một lần nữa, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và kính chúc thầy/cô luônmạnh khỏe, hạnh phúc và thành công trong sự nghiệp giảng dạy
Trang 3I Giới thiệu
1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kĩ thuật, kĩ thuật điện tử,
mà trong đó kĩ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực, công nghiệp tựđộng hoá, cung cấp thông tin ….Do đó, chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó mộtcách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kĩ thuật thế giớinói chung và sự phát triển kĩ thuật điện tử nói riêng Điện thoại thông minh là mộttrong những thứ đang rất phổ biến trong cuộc sống chung ta hiện nay, mà nhưngtính năng thứ vị trên điện thoại đều thông qua hàng loạt các cảm biến Vậy cảmbiến đó là gì? Đó là lí do mà nhóm chúng em thực hiện đề tài trình bày các cảmbiến trong điện thoại thông minh và nguyên lí hoạt động của chúng
2 Mục tiêu của bài báo cáo
Bài báo cáo này nhằm trình bày các loại cảm biến có trong điện thoại và cách
nó hoạt động như thế nào
Các mục tiêu cụ thể bao gồm:
- Tổng quan về các loại cảm biến có trong điện thoại
- Nguyên lý hoạt động của từng loại cảm biến
- Thông số kỹ thuật chi tiết và ứng dụng thực tế của từng cảm biến
Bằng cách đạt được các mục tiêu này, bài báo cáo sẽ cung cấp cái nhìn toàndiện về vai trò và tầm quan trọng của các cảm biến trong các thiết bị điện tửthông minh hiện đại ngày nay
II Các cảm biến được sử dụng trong hệ thống quản lý tòa nhà thông minh
Một số loại cảm biến được dùng trong điện thoại thông minh trong 10 năm gần đây
1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)
Trang 4- Cảm biến tiệm cận là loại cảm biến được đặt ở mặt trước của mỗi chiếcsmartphone để phát hiện khi có vật thể gì đó đến gần cảm biến hay màn hình thiếtbị
- Cảm biến tiệm cận trên điện thoại thông minh là một chức năng mở rộng của cảmbiến tiệm cận từ Nó hoạt động dựa trên sự sử dụng từ trường và các chùm sóngánh sáng để phát hiện vật thể Do đó, điện thoại có thể nhận thông tin và thực hiệnnhững điều khiển tự động
+ Tắt màn hình thông minh giúp tiết kiệm pin khi bạn để điện thoại vào túihoặc không sử dụng Cảm biến tiệm cận trên điện thoại có thể phát hiện vật cảm vàtắt màn hình tự động hoặc tự động kích hoạt chế độ khóa
+ Tắt màn hình khi nhận cuộc gọi: Khi đưa điện thoại gần tai, cảm biến tiệmcận trên điện thoại cũng như một số phím trên màn hình sẽ tự động tắt màn hình đểngăn không gian giữa màn hình và tai của bạn gây nhiễu cho cuộc gọi
+ Tự động điều chỉnh độ sáng màn hình là một tính năng thông minh trêncác dòng điện thoại hiện nay Khi bạn di chuyển đến những nơi có ánh sáng mạnh,cảm biến sẽ truyền dữ liệu để hệ thống điều chỉnh độ sáng màn hình lên cao.Ngược lại, ở những nơi có ánh sáng yếu, độ sáng cũng tự động giảm xuống Tínhnăng này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn bảo vệ mắt người dùngtrong thời gian dài
Trang 5- Cảm biến tiệm cận được phân loại thành hai loại phổ biến là cảm biến tiệm cậncông nghệ cảm ứng từ và cảm biến tiệm cận công nghệ điện dung.
- Cảm biến tiệm cận công nghệ cảm ứng từ hoạt động dựa trên việc sử dụng sự daođộng tần số của sóng cao tần trên đường truyền để phát hiện vật thể Đây là loạicảm biến ít bị nhiễu bởi môi trường xung quanh, tuy nhiên khoảng cách phát hiệnchỉ ngắn và chỉ phát hiện được kim loại
- Cảm biến tiệm cận công nghệ điện dung hoạt động dựa trên sự tích điện để pháthiện vật thể Ưu điểm lớn nhất của cảm biến tiệm cận điện dung là có thể phát hiệntất cả các loại vật thể bao gồm cả chất lỏng
Trang 62 Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope Sensor)
- Cảm biến kiểm soát chuyển động của smartphone (vị trí, mức độ xoay và độ
nghiêng của smartphone) Lần đầu tiên nó được áp dụng trên chiếc iPhone 4 củaApple
- Về nguyên lý hoạt động, con quay hồi chuyển là một cảm biến có kích thước rấtnhỏ cho nên rất dễ dàng nhận thấy được sự thay đổi về vị trí hay độ nghiêng củasmartphone, cảm biến con quay hồi chuyển được sử dụng trên smartphone là đểphát hiện các hướng của thiết bị khi người dùng sử dụng vì nó đi ngược lại vớitrọng lực của trái đất cho nên sẽ di chuyển ngược lại so với sự thay đổi đến từngười dùng, khi smartphone đang nằm trên một mặt phẳng cân bằng thì chỉ số củacon quay hồi chuyển sẽ là 0 Bất kỳ một chuyển động nhỏ nào đối với smartphonethì cũng sẽ kích hoạt được con quay hồi chuyển
- Ví dụ về con quay hồi chuyển, điển hình là khi ta chơi các game như đua xe thìviệc nghiêng màn hình cũng sẽ tác động đến vị trí cũng như hướng đi của chiếc xetrong game giúp người dùng sẽ có một cảm giác chơi game chân thật và hấp dẫnhơn, một việc làm dễ thấy hơn đó chính là khi ta xem phim ảnh thì việc nằm xuốnghay xoay màn hình ngang cũng sẽ làm cho trình phát video, chế độ xem ảnh xoaytheo Không chỉ thế con quay hồi chuyển còn phát huy hiệu quả khi ta sử dụng labàn, việc quay hướng khi chạy xe cũng sẽ nhạy bén và giúp chúng ta có đượchướng đi chính xác hơn khi mà con quay hồi chuyển kết hợp với gia tốc kế và đóchính là công dụng của con quay hồi chuyển
Bộ tạo dao động (Oscillator):
Trang 7Tạo ra tín hiệu dao động cơ bản Trong các con quay hồi chuyển MEMS, bộ tạo dao động thường là một cấu trúc vi cơ điện tử dao động với tần số xác định.
Cảm biến đo tốc độ góc (Angular Velocity Sensor):
Đo tốc độ góc của đối tượng Cảm biến này sử dụng hiệu ứng Coriolis để phát hiện sự thay đổi trong tốc độ quay quanh các trục X, Y, và Z
Bộ xử lý tín hiệu (Signal Processing Unit):
Xử lý tín hiệu thô từ cảm biến đo tốc độ góc để tạo ra dữ liệu có ý nghĩa Bộ
xử lý tín hiệu có thể bao gồm các bộ lọc và thuật toán để cải thiện độ chính xác và loại bỏ nhiễu
Bộ chuyển đổi A/D (Analog to Digital Converter - nếu cần):
Chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến đo tốc độ góc sang tín hiệu số Một
số cảm biến con quay hồi chuyển có đầu ra số trực tiếp và không cần bộ chuyển đổi A/D
- Đầu vào:
+ Nguồn cấp điện (Power Supply):
Điện áp cung cấp cho cảm biến để nó hoạt động, thường là DC (ví dụ: 3.3V,5V tùy thuộc vào loại cảm biến)
+ Chuyển động quay (Rotational Motion):
Chuyển động quay của đối tượng mà cảm biến đang gắn lên hoặc đo lường.Đây là yếu tố vật lý mà cảm biến con quay hồi chuyển sẽ đo lường và ghi nhận
- Đầu ra:
+ Tín hiệu dữ liệu góc quay (Angular Velocity Data):
Tín hiệu đầu ra thể hiện tốc độ góc (angular velocity) của chuyển động quay
Dữ liệu này thường ở dạng số (digital) hoặc tương tự (analog)
Digital Output: Dữ liệu số được truyền qua các giao diện như I2C, SPI hoặcUART Đây là dữ liệu số thể hiện tốc độ góc đo được ở các trục X, Y, và Z
Analog Output: Tín hiệu điện áp liên tục tương ứng với tốc độ góc đo được Ví dụ:một tín hiệu điện áp biến đổi liên tục từ 0V đến 5V tùy thuộc vào tốc độ góc
Trang 83 Cảm biến khí áp (Barometer Sensor)
- Loại cảm biến dùng để đo áp suất khí quyển
- Đo độ cao: Đặc biệt hữu ích cho những người yêu thích hoạt động ngoài trời như
trekking, cảm biến giúp xác định độ cao hiện tại
- Là loại cảm biến có thể nói là không cần thiết đối với việc đo khí áp để dự báothời tiết trên smartphone vì hiện nay đa số các smartphone đã có thể lấy thông tinthời tiết từ internet và thậm chí thông tin này còn chính xác hơn vì được đo và cậpnhật liên tục bởi các trung tâm dự báo
- Mặt dù vậy, loại cảm biến này vẫn được hầu hết các nhà sản xuất smartphone
trang bị lý do là bởi vì khi kết hợp cảm biến khí áp với cảm biến GPS, la bàn và cảm biến gia tốc (đề cập phía dưới) sẽ giúp người dùng smartphone sử dụng la
bàn, bản đồ có được độ chính xác hơn về tốc độ cũng như là vị trí
- Tối ưu hoá chất lượng cuộc gọi: Một số điện thoại sử dụng cảm biến để điều
chỉnh âm lượng mic dựa trên áp suất không khí
- Phần cảm biến (Sensor Element): Đây là phần chính của cảm biến, nơi thực
hiện việc đo lường áp suất Phần này thường gồm:
+ Màng cảm biến (Sensing Diaphragm): Một màng mỏng biến dạng khi
có sự thay đổi áp suất Sự biến dạng này gây ra sự thay đổi điện trở, điện dung, hoặc điện áp
Trang 9+ Cấu trúc vi cơ điện tử (MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems):
Thường được sử dụng trong các cảm biến áp suất hiện đại, cung cấp độ chính xác
và độ nhạy cao
- Mạch điều hòa tín hiệu (Signal Conditioning Circuit): Mạch này có nhiệm vụ:
+ Khuếch đại tín hiệu (Amplification): Khuếch đại tín hiệu yếu từ phần
cảm biến để dễ dàng xử lý
+ Lọc tín hiệu (Filtering): Loại bỏ nhiễu và tạp âm để cải thiện độ chính
xác
+ Chuyển đổi tín hiệu (ADC - Analog to Digital Converter): Chuyển đổi
tín hiệu tương tự từ phần cảm biến thành tín hiệu số
- Mạch điều khiển và giao tiếp (Control and Communication Circuit): Phần
này quản lý và xử lý dữ liệu từ mạch điều hòa tín hiệu, bao gồm:
+ Vi điều khiển (Microcontroller): Xử lý và phân tích dữ liệu áp suất + Giao diện truyền thông (Communication Interface): Cho phép cảm
biến giao tiếp với các thiết bị bên ngoài, như I2C, SPI, hoặc UART
4 Cảm biến gia tốc (Accelerometer Sensor)
- Loại cảm biến chịu trách nhiệm phát hiện sự di chuyển của điện thoại so với môi
trường
- Cảm biến gia tốc hoạt động gần giống với cảm biến con quay hồi chuyển đóchính là tương tác với sự di chuyển của smartphone, khi smartphone được dichuyển hay thay đổi vị trí bởi người dùng như xoay, nghiêng hay lắc thì sẽ lập tứcđược cảm biến phát hiện và smartphone sẽ thực hiện các chức năng được cài đặtliên quan đến việc thay đổi đó
- Kết hợp với các công nghệ cảm biến khác như cảm biến GPS, cảm biến khí áp vàcảm biến từ kế để xây nên một la bàn hoàn chỉnh
- Cảm biến gia tốc sẽ phát hiện sự di chuyển của smartphone dựa trên trục XYZ
Ví dụ như khi ta nhấc smartphone lên màn hình sẽ sáng và khi úp xuống màn hình
sẽ được tự động tắt Ngoài ra vì cách hoạt động giống cảm biến con quay hồichuyển cho nên cảm biến gia tốc cũng có được các chức năng để hỗ trợ việc chơigame đua xe, bắn súng với khả năng xoay màn hình, camera
Trang 105 Cảm biến từ (Geomagnetic Sensor) Cảm biến này còn được gọi bằng một số
từ khác như Magnetic Sensor, magnetic field, nói chung là có magnetic - từ
- Cảm biến từ là một loại cảm biến quan trọng đối với các smartphone Android tuykhông thể hiện được các chức năng chính những khi cảm biến từ kết hợp với cáccảm biến khác như cảm biến GPS, cảm biến khí áp sẽ giúp la bàn hoạt động tốthơn
- Còn có thể dùng để đo từ trường và nhận biết cường độ của từ trường
- Ngoài ra dựa vào tính chất các chất phi kim loại như chất lỏng (xăng, dầu, nước)
và các khói bụi không tương tác với từ trường nên khi cài đặt một số ứng dụng hỗtrợ riêng biệt cảm biến từ có thể dò, tìm được đồ kim loại như móc khóa, đồng hồ
bị lạc mất nhờ khả năng đo từ trường như một thiết bị chuyên dụng
6 Cảm biến GPS (GPS Sensor)
- Cảm biến quan trọng thường được sử dụng trong quân sự với chức năng để xácđịnh vị trí kẻ thù cũng như để thực hiện bắn phá bằng vũ khí hạt nhân
- Về nguyên lý hoạt động, cảm biến GPS trên smartphone sẽ dựa trên tín hiệu vị trí
từ vệ tính để có thể xác định được vị trí của chiếc smartphone Và chức năng chínhcủa cảm biến GPS chính là khả năng định vị vị trí và điều hướng thiết bị khi đanghoạt động trên một bản đồ
7 Cảm biến Camera (Camera Sensor)
- Loại cảm biến được nhắc đến nhiều nhất đối với chiếc smartphone Cảm biến
camera là một thành phần vô cùng quan trọng cùng với độ phân giải và chất lượngống kính để tạo nên một hệ thống camera hoàn chỉnh cho một chiếc smartphone
Trang 11- Cảm biến camera giúp cho tấm ảnh có chất lượng cao hơn, màu sắc và độ chi tiếtchân thật hơn.
- Một cảm biến camera bao gồm hàng triệu tế bào nằm phía bên trong chiếc cảmbiến nhỏ xíu và khi ánh sáng đi qua lúc người dùng chụp ảnh, các tế bào ấy sẽ tạo
ra điện tích, sau đó hệ thống camera sẽ nhờ vào các thuật toán để lọc màu và xử lý
để cho ra một bức ảnh hoàn chỉnh
- Có hai loại cảm biến camera phổ biến trên thị trường hiện nay là CCD và CMOS,đây là hai loại cảm biến có giá thành rẻ cũng như khả năng chụp nhanh, tiết kiệmpin nên được trang bị trên hầu hết các smartphone có trên thị trường
+ CCD : (viết tắt của Charge Coupled Device trong tiếng Anh và cónghĩa là "linh kiện tích điện kép") là cảm biến chuyển đổi hình ảnh quang học sangtín hiệu điện trong các máy thu nhận hình ảnh Loại cảm biến dùng phổ biến trongcác máy thu ảnh kỹ thuật số hiện nay, trong đó tín hiệu được số hóa
bằng chip ADC ( đầu ra analog ) nhanh Phần tử quan trọng nhất của cảm biến
CCD là photodiode thực hiện chuyển đổi ánh sáng sang điện tích Nó cùng loạivới photodiode trong Pin mặt trời Điểm khác ở chỗ được chế ra ở dạng siêu
nhỏ để thu nhận điểm ảnh trong tấm ảnh chung, và ở giải pháp kỹ thuật để cho ra
ảnh trung thực nhất có thể
· Mảng các Photodiode:
Mỗi photodiode nhận một phần của ánh sáng và chuyển đổi nó thành một lượng điện tích tương ứng
· Thanh Ghi Dịch Dọc (Vertical Shift Register):
Thu thập điện tích từ các photodiode theo hàng dọc và dịch chuyển chúng xuống theo chiều dọc
· Thanh Ghi Dịch Ngang (Horizontal Shift Register):
Trang 12Sau khi điện tích được chuyển đến cuối thanh ghi dịch dọc, chúng tiếp tục được dịch chuyển theo chiều ngang để chuẩn bị cho việc đọc ra.
· Bộ Khuếch Đại Đầu Ra (Output Amplifier):
Nhận và khuếch đại tín hiệu từ thanh ghi dịch ngang để tạo ra một tín hiệu điện áp mạnh hơn, dễ dàng xử lý và đo lường
· Mạch Điều Khiển (Control Circuit):
Điều khiển thời gian và các bước quá trình dịch chuyển, đảm bảo rằng các tínhiệu điện tích được chuyển đổi và đọc ra một cách đồng bộ và chính xác
+ CMOS : Đối với CMOS thì được áp dụng cho Camera hiện đại, côngnghệ IP Bề mặt của cảm biến CMOS là 3 lớp diode xếp chồng lên nhau, trong đómỗi loại diode sẽ mang một màu sắc khác nhau, điều này để dễ phân biệt cũng như
là đặc trưng của diode Màu sắc của những diode này sẽ kết hợp với những ánhsáng đi vào từ ống kính nhằm cho ra hình ảnh mà người dùng có thể nhìn rõ nhất
Bên cạnh đó cảm biến CMOS Camera còn tích hợp thêm bộ khuếch đại tín hiệu
và mạch A/D
Về cơ bản cảm biến hình ảnh CMOS có chức năng chuyển tín hiệu từ hình ảnh
sang tín hiệu số và có thể ghi lại được
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh CMOS là khi ánh sáng đi qua
sẽ được ghi lại và công nghệ xử lý trước khi xuất ra thẻ nhớ cho người dùngxem Bên cạnh cảm biến hình ảnh thì độ phân giải, ống kính của Cameracũng quan trọng không kém
Hình ảnh sau khi qua bộ lọc màu RGB của Cmos sẽ được số hóa trước khichuyển vào thẻ nhớ lưu lại
Trong đó việc số hóa được thực hiện thông qua chip ADC trước khi chuyểntới các bộ phận khác
Trang 13Mạch điều khiển và giao tiếp: Điều khiển hoạt động của cảm biến và giao tiếp
với các thiết bị khác, ví dụ như vi xử lý
Ưu điểm của CMOS so với CCD
Tốc độ xử lý nhanh hơn, ít tiêu thụ tài nguyên hơn, từ đó tuổi thọ sản phẩmđược nâng hơn
Độ nhạy cảm và độ phân giải với ánh sáng cao hơn CCD
Độ nhiễu tối thiểu
Tích hợp được nhiều chức năng trên cùng 1 cảm biến
8 Cảm biến vân tay (Fingerprint Sensor)
- Về nguyên lý hoạt động của cảm biến vân tay, khi người dùng lần đầu tiên cài đặtthì smartphone sẽ dựa vào cảm biến vân tay để lưu lại dấu vân tay của người dùng
và đưa vào bộ lưu trữ vân tay Những lần tiếp theo khi người dùng muốn sử dụngsmartphone chỉ cần đặt ngón tay của mình vào vị trí cảm biến, lập tức hệ thống sẽtiến hành so sánh với dấu vân tay mẫu đã được cài đặt và chỉ cần trùng khớp thìsmartphone sẽ được mở khóa mà không cần dùng đến mật khẩu
