THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP

Đề tài thực hiện việc tìm hiểu, nghiên cứu và tham khảo các tài liệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến, một số IC, động cơ dc… Các board mạch được thiết kế bằng phần mềm Orcad 9.2 và thực hiện thủ công, kết hợp với việc sử dụng board mạch vi xử lý Arduino và module mạch cầu H L298. Việc lập trình dựa trên môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE chạy trên máy tính cá nhân cho phép viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ

DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP

Họ và tên sinh viên: PHAN HIỀN THẢO Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Niên khóa: 2011 – 2015

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm 2015

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG

TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP

TÁC GIẢ

PHAN HIỀN THẢO

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu

Em xin cảm ơn cô Trần Thị Kim Ngà, cô luôn tận tình quan tâm, hướng dẫn vàgiúp đỡ em trong quá trình học tập và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thànhluân văn tốt nghiệp.

Đồng thời xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp DH11CD và các bạn bè đã tận tìnhgiúp đỡ trong suốt quá trình học tập, cũng như hoàn thành đề tài tốt nghiệp

Chân thành cảm ơn mọi người

Tp HCM, ngày … tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Phan Hiền Thảo

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG

DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP” được thực hiện tại

Trường Đại học Nông Lâm từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2015

Đề tài thực hiện việc tìm hiểu, nghiên cứu và tham khảo các tài liệu về cấu tạo,nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến, một số IC, động cơ dc… Các boardmạch được thiết kế bằng phần mềm Orcad 9.2 và thực hiện thủ công, kết hợp với việc

sử dụng board mạch vi xử lý Arduino và module mạch cầu H L298 Việc lập trình dựatrên môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE chạy trên máy tính cá nhân cho phépviết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Sau khi nghiên cứu và thực hiện đề tài, em đã hoàn thành bài báo cáo, chế tạođược các board mạch điều khiển, board cảm biến với các ứng dụng như: điều khiểnđèn led bật/tắt theo ánh sáng, kích loa báo khi khí gas rò rỉ ở mức nguy hiểm, đo chiềucao sản phẩm, đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc

Nội dung của bài báo cáo gồm các phần chính như sau:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Hy vọng đề tài này là tư liệu tham khảo cho môn kỹ thuật đo lường cảm biến

Do thời gian hạn chế nên đề tài có nhiều thiếu sót, em mong nhận được sự đóng góp ýkiến của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của em có thể hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

TRANG TỰA i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG xii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1. Đặt vấn đề 1

1.2. Mục đích của đề tài 2

1.2.1. Mục tiêu chung 2

1.2.2. Mục tiêu cụ thể 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1. Khái quát cảm biến 3

2.1.1. Giới thiệu cảm biến 3

2.1.2. Phân loại cảm biến 3

2.1.2.1 Cảm biến tích cực hay thụ động 3

2.1.2.2 Cảm biến tương tự và số 4

2.1.2.3 Cảm biến phân loại theo tín hiệu kích thích 4

2.1.3. Ứng dụng của cảm biến 4

2.2. Quang trở 5

2.2.1. Giới thiệu 5

2.2.2. Thông số kỹ thuật 6

2.2.3. Nguyên lý hoạt động 7

2.3. Cảm biến nhiệt ẩm DHT11 7

2.3.1. Thông số kỹ thuật 7

2.3.2. Nguyên lý hoạt động 8

2.4. Cảm biến gas MQ – 2 9

2.4.1. Giới thiệu 9

2.4.2. Thông số kỹ thuật 10

2.4.3. Nguyên lý hoạt động 11

2.5. Cảm biến hồng ngoại 11

2.5.1. Giới thiệu 11

2.5.2. Nguyên lý hoạt động 12

2.6. Cảm biến màu TCS3200 13

2.6.1. Giới thiệu 13

2.6.2. Thông số kỹ thuật 13

2.6.3. Nguyên lý hoạt động 14

2.7 Cảm biến siêu âm SRF05 15

2.7.1. Giới thiệu 15

2.7.2. Thông số kỹ thuật 16

2.7.3. Nguyên lý hoạt động 18

2.7.3.1 Chế độ 1: Tách biệt kích hoạt và phản hồi 18

2.7.3.2 Chế độ 2: Dùng một chân cho kích hoạt và phản hồi 19

2.7.4. Ứng dụng 20

2.8. Board mạch Arduino Mega 2560 21

2.8.1. Giới thiệu 21

2.8.2. Thông số kỹ thuật 22

2.9 Động cơ DC 23

2.9.1. Cấu tạo 23

2.9.2. Nguyên lý hoạt động 24

2.9.3. Phương pháp điều khiển 24

2.10. Mạch cầu H L298 24

2.10.1. Giới thiệu 24

2.10.2. Nguyên lý hoạt động 25

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

3.1. Nội dung thực hiện 26

3.2. Phương pháp nghiên cứu và thực hiện 26

3.2.2. Phần điện tử 27

3.2.3. Phần điều khiển 27

3.3. Phương tiện thực hiện 27

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

4.1 Sơ đồ khối 29

4.2 Phần mô hình 30

4.2.1. Sơ đồ cấu tạo 30

4.2.2. Nguyên lý hoạt động 31

4.2.3. Mô hình chế tạo 32

4.3. Thiết kế phần mạch điều khiển 32

4.3.1. Khối nguồn 32

4.3.2. Khối cảm biến 33

4.3.2.1 Cảm biến quang trở 33

4.3.2.2 Cảm biến nhiệt ẩm DHT11 34

4.3.2.3 Cảm biến gas MQ – 2 35

4.3.2.4 Cảm biến hồng ngoại 36

4.3.2.5 Cảm biến màu TCS3200 37

4.3.2.6 Cảm biến siêu âm SRF05 37

4.3.3. Khối công tắc hành trình 38

4.3.4. Khối công suất 39

4.3.5. Khối nút nhấn 40

4.3.6. Khối hiển thị 41

4.3.6.1 Khối hiển thị led đơn 41

4.3.6.2 Khối hiển thị led 7 đoạn 42

4.3.7. Khối điều khiển 43

4.4. Thiết kế phần mềm 44

4.4.1. Lưu đồ giải thuật chung 45

4.4.2. Lưu đồ đo chiều cao sản phẩm 46

4.4.3. Lưu đồ giải thuật đếm và phân loại sản phẩm 46

4.4.4. Lưu đồ giải thuật nút nhấn và hiển thị 48

4.5. Khảo nghiệm 49

4.5.1. Đánh giá độ chính xác và ổn định từ kết quả thí nghiệm 49

4.5.1.1 Đo nhiệt độ và độ ẩm 49

4.5.1.2 Đo chiều cao sản phẩm 50

4.5.2. Đánh giá độ chính xác và ổn định của phần điều khiển 51

4.5.2.1 Đếm và phân loại sản phẩm 51

4.5.2.2 Khảo nghiệm cảm biến gas 51

4.5.2.3 Đo giá trị của quang trở 52

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

5.1. Kết luận 53

5.2. Kiến nghị 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC Alternating Current

DC Direct Curent

IC Intergarated Circuit

ICSP In – Circuit Serial Programming

IDE Intergrated Development Environment

LDR Light Dependent Resistor

LED Light Emitting Diode

LPG Liquefied Petroleum Gas

MCU Micro Controler Unit

PPM Parts Per Million

PWM Pulse Width Modulation

TTL Transistor – Transistor Logic

UART Universal Asynchronous Reveiver and Transmitter.USB Universal Serial Bus

V.O.M Volt – Ohm – Meter

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của cảm biến phức hợp 3

Hình 2.2: Cấu tạo quang trở 5

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của quang trở vào độ rọi sáng 6

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt ẩm DHT11 7

Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến gas MQ – 2 9

Hình 2.6: Mạch nguyên lý module cảm biến gas MQ – 2 10

Hình 2.7: Led hồng ngoại 11

Hình 2.8: Các hình thức thu/phát của cảm biến hồng ngoại 12

Hình 2.9: Modul cảm biến màu TCS3200 13

Hình 2.10: Sơ đồ chân của cảm biến màu TCS3200 14

Hình 2.11: Sơ đồ khối chức năng cảm biến màu TCS3200 14

Hình 2.12: Cảm biến siêu âm SRF05 16

Hình 2.13: Độ rộng chùm tia siêu âm 16

Hình 2.14: Mức độ sóng âm hồi tiếp 17

Hình 2.15: Vùng phát hiện cảm biến siêu âm 17

Hình 2.16: Kỹ thuật làm giảm điểm mù 17

Hình 2.17: Nguyên lý phản xạ sóng siêu âm 18

Hình 2.18: Chế độ 1 của cảm biến siêu âm SRF05 18

Hình 2.19: Giản đồ định thời SRF05 tách biệt kích hoạt và phản hồi 19

Hình 2.20: Chế độ 2 của cảm biến siêu âm SRF05 19

Hình 2.21: Giản đồ định thời SRF05 nối chung kích hoạt và phản hồi 20

Hình 2.22: Nguyên tắc Time Of Flight 20

Hình 2.23: Arduino Mega 2560 21

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động cơ DC đơn giản 23

Hình 2.25: Module mạch cầu H L298 25

Hình 4.1: Sơ đồ khối 29

Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo 30

Hình 4.3: Mô hình chế tạo 32

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 33

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch bật/tắt led 34

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt – ẩm 35

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch báo khí gas rò rỉ 35

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hồng ngoại 36

Hình 4.9: Mạch cảm biến màu TCS3200 nối với vi điều khiển 37

Hình 4.10: Mạch cảm biến siêu âm SRF05 nối với vi điều khiển 38

Hình 4.11: Mạch cách ly tín hiệu công tắc hành trình 39

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ dc bằng L298 40

Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn 41

Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển led đơn 41

Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị led 7 đoạn 42

Hình 4.16: Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển 43

Hình 4.17: Lưu đồ giải thuật chung 45

Hình 4.18: Lưu đồ đo chiều cao sản phẩm 46

Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật đếm và phân loại sản phẩm 47 Hình 4.20: Lưu đồ giải thuật hiển thị led đơn và led 7 đoạn 48

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Phạm vi phát hiện của cảm biến MQ – 2 đối với một số chất khí 11

Bảng 2.2: Bảng lựa chọn bộ lọc màu 15

Bảng 2.3: Bảng lựa chọn tần số đầu ra của cảm biến màu TCS3200 15

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của board Arduino Mega 2560 22

Bảng 2.5: Các cổng nối tiếp của board Arduino Mega 2560 22

Bảng 2.6: Các chân ngắt ngoài của board Arduino Mega 2560 23

Bảng 4.1: Kết quả đo nhiệt độ 49

Bảng 4.2: Kết quả đo độ ẩm 50

Bảng 4.3: Kết quả đo chiều cao sản phẩm 50

Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm đếm và phân loại sản phẩm 51

Bảng 4.5: Kết quả khoảng cách phát hiện khí gas rò rỉ 52 Bảng 4.6: Kết quả đo giá trị quang trở 52

Chương 1

MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật, con người không chỉ dựavào các cơ quan xúc giác của cơ thể để khám phát thế giới mà còn sử dụng các dụng

cụ đo lường và phân tích mà ta gọi là cảm biến Từ lâu cảm biến được sử dụng nhưnhững bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúngmới thể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người Nhờ nhữngthành tựu mới của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thết bị điện tử và tinhọc, các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng mởrộng phạm vi ứng dụng Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụngcảm biến, chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, robot, kiểm tra chấtlượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng… Cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong lĩnhvực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, điện thoại thôngminh, ngôi nhà thông minh, các trò chơi điện tử,…

Thật vậy, trong các hệ thống điều khiển tự động, các dây chuyền sản xuất trongcông nghiệp, các máy móc thiết bị,… cảm biến là một bộ phận không thể thiếu, chúng

là những thiết bị cung cấp thông tin của quá trình hoạt động cho bộ điều khiển để bộđiều khiển đưa ra những lệnh điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quátrình hoạt động Vì vậy, việc tìm hiểu, nghiên cứu các loại cảm biến là điều mà sinhviên khối ngành kỹ thuật, mà đặc biệt là chuyên ngành Cơ điện tử là hết sức quantrọng Xuất phát từ yêu cầu trên, em đã thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠOBOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌCTẬP” nhằm đáp ứng nhu cầu học tập của bản thân Đồng thời, đề tài có thể làm tài liệutham khảo cho các sinh viên khóa sau

Thiết kế mô hình đáp ứng mục tiêu cụ thể sau: đo nhiệt độ, độ ẩm, phát hiện khígas rò rỉ và báo nguy hiểm qua loa, sử dụng quang trở để bật/tắt đèn led, đo chiều caovật, đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc.

Tiến hành chế tạo mô hình và chỉnh sửa mô hình Khảo nghiệm các chức năngcủa mô hình, lấy số liệu và đánh giá tính ổn định và chính xác của mô hình

Chương 2 TỔNG QUAN2.1 Khái quát cảm biến

2.1.1 Giới thiệu cảm biến

Cảm biến là bộ phận có chức năng thu nhận sự kích thích của đại lượng cần đo(thường là đại lượng không điện) chuyển đổi thành tín hiệu điện (dòng điện hay điệnáp) tương ứng

e1, e2 là các dạng năng lượng khác nhau

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của cảm biến phức hợp

Tín hiệu điện xuất ra từ cảm biến không những mang thông tin về sự hiện diệncủa đại lượng cần đo mà còn cho biết độ lớn tương ứng

2.1.2 Phân loại cảm biến

2.1.2.1 Cảm biến tích cực hay thụ động

Cảm biến tích cực: là cảm biến dựa vào hiệu ứng, hiện tượng tự nhiên chuyểnđổi trực tiếp đại lượng không điện thành đại lượng điện mà không cần nguồn nănglượng bên ngoài cung cấp, có nguồn đầu ra là nguồn áp hay nguồn dòng

Cảm biến thụ động: là cảm biến cũng dựa vào hiệu ứng, hiện tượng tự nhiênnhưng chuyển đổi đại lượng điện thành các đại lượng thụ động điện, đó là: điện trở,

biến

Cảm biến

Đại lượng điện

Kích thích

(cần đo)

điện dung, điện cảm Cảm biến loại này cần được cung cấp nguồn điện bên ngoài,được đặc trưng bằng các thông số R, L, C… tuyến tính hay phi tuyến.

2.1.2.2 Cảm biến tương tự và số

Cảm biến tương tự là loại có tín hiệu điện ngõ ra liên tục theo thời gian Đa sốcác cảm biến điều thuộc dạng tương tự do các đại lượng không điện trong tự nhiên làdạng tương tự

Cảm biến dạng số là cảm biến có tín hiệu ngõ ra dạng số, xung nhị phân haydạng các bước Ví dụ: Encoder, cảm biến tiệm cận, các công tắc quang

2.1.2.3 Cảm biến phân loại theo tín hiệu kích thích

 Cảm biến quang điện

 Cảm biến nhiệt điện

 Cảm biến vị trí, khoảng cách

 Cảm biến vận tốc, gia tốc

 Cảm biến đo lường, thể tích chất lỏng

 Cảm biến điện hóa

đo từ tính của vật nhiễm từ, tìm xử lý bằng tia laser, dò bằng sóng siêu âm ), các thiết

bị định vị, thiết bị phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạtnhân

 Môi trường: Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, côn trùng và các loàiđộng vật khác; theo dõi các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm cáchiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt; phát hiện đượcmức độ ô nhiễm môi trường.

 Trong y tế: sử dụng cảm biến trong việc khám sức khỏe, theo dõi tình trạngbệnh nhân, máy theo dõi huyết áp, hô hấp…

 Dân dụng: ứng dụng cảm biến trong ngôi nhà thông minh, các hệ thống báotrộm, báo nguy hiểm trong nhà khi có điện chập hay khí gas rò rỉ…

 Công nghiệp: giúp việc quản lý khối lượng, số lượng, bảo quản và lưu giữhàng hóa dễ dàng hơn Đo nhiệt độ và độ ẩm, điều khiển các thiết bị, các robot côngnghiệp, thiết bị tự động hóa…

 Nông nghiệp: cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng giúp người nôngdân có thể giám sát, chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp

2.2 Quang trở

2.2.1 Giới thiệu

Quang trở còn gọi là điện trở tùy thuộc ánh sáng LDR có trị số điện trở thay đổitheo độ sáng chiếu vào quang trở

1 – Vật liệu quang trở; 2 – Chất nền; 3 – Vỏ nhựa; 4 – Chân cắm.

Hình 2.2: Cấu tạo quang trở

Quang trở có cấu tạo như hình 2.2, gồm chất nền (2) là chất bán dẫn, các chấtcảm nhận quang trở (1) là PbS, PbSe, InSb… trong đó phổ biến nhất là CadmiumSulfide (CdS) có độ nhạy phổ gần như mắt người nên được sử dụng rộng rãi Chấtsilicium nhạy nhất đối với tia hồng ngoại, chất germanium nhạy nhất ở khoảng ánhsáng có tần số thấp hơn tia hồng ngoại, chất selenium nhạy nhất đối với ánh sáng thấyđược và tia tử ngoại Vỏ bọc (3) của quang trở được làm bằng gốm, và có hai châncắm (4) dùng để lắp vào các mạch điện.

2.2.2 Thông số kỹ thuật

Điện trở của quang trở phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhạy nhiệt của tế bào quangdẫn càng nhỏ khi độ rọi sáng càng lớn Giá trị của điện trở sẽ bị giảm ở những điềukiện làm việc giới hạn khi độ rọi sáng và điện áp đặt vào quá lớn Người ta đã rút rakết luận rằng hiệu ứng già hóa này tương đối rõ ràng ở những vật liệu có hệ số nhiệtcao

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của quang trở vào độ rọi sáng

Quang trở có trị số điện trở thay đổi không tuyến tính theo độ sáng chiếu vào nó(hình 2.3) Ở vùng tối của quang trở có trị số lớn khoảng 104Ω đến 109Ω (ở 25oC) Khiđược chiếu sáng mạnh, quang trở có trị số rất nhỏ khoảng 10Ω đến 1kΩ (ở 25oC)

 Nguồn cấp từ 3 – 5V DC vào chân Vcc (1).

 Tín hiệu ngõ ra kỹ thuật số ở chân data (2)

 Khoảng đo: nhiệt độ (0 – 50 oC), độ ẩm (20% - 90%)

 Sai số: nhiệt độ (±2 oC), độ ẩm (±5%)

 Độ nhạy: nhiệt độ (±0,1oC), độ ẩm (±1%)

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2bước: Gửi tín hiệu muốn đo tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại Khi đã giao tiếpđược với DHT11, cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ, độ ẩm đo được

 Bước 1: Gửi tín hiệu giao tiếp với DHT11

MCU thiết lập chân Data là Output, kéo chân Data xuống 0 trong khoảng thờigian > 18ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu là MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm

MCU đưa chân Data lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

Sau khoảng 20 – 40 us, DHT11 sẽ kéo chân Data xuống thấp Nếu > 40 us màchân Data không được kéo xuống thấp, nghĩa là không giao tiếp được với DHT11

Chân Data sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo lên cao trong 80us.Bằng việc giám sát chân Data, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11không Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao thì vi điều khiển đã giao tiếp với cảmbiến DHT11

 Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11

DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:

 Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm

 Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm

 Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ

 Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ

 Byte 5: kiểm tra tổng

Nếu byte 5 = (8 bit)(Byte1 + Byte 2 + Byte3 + Byte 4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt

độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa

Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về vi

xử lý, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của nhiệt độ và độ ẩm Sau khi tín hiệu

được đưa về 0, ta đợi chân data của vi điều khiển lên 1 Nếu chân data là 1 trongkhoảng 26 – 28 us thì là 0, còn nếu còn đến 70 us là 1 Trong lập trình, nên dừng 50 us

sẽ giúp cảm biến đọc chính xác các giá trị tại chân data

2.4 Cảm biến gas MQ – 2

2.4.1 Giới thiệu

Nguyên nhân của các vụ nổ khí gas hầu hết xuất phát từ hiện tượng rò rỉ gas do

vỏ bình gas thủng, van bình gas bị hở, dây dẫn gas bị hở do cũ nát,… khí gas rò rỉ nếugặp nguồn lửa, nhiệt cao sẽ dẫn đến cháy nổ Thấy được hậu quả nghiêm trọng củanhững sự cố cháy nổ gas, cảm biến gas ra đời và góp phần rất lớn vào việc bảo đảmphần nào sự an toàn khi sử dụng gas Cảm biến MQ – 2 là một trong những cảm biếnkhí được sử dụng nhiều trong các thiết bị phát hiện rò rỉ gas trong dân dụng và côngnghiệp

1 – Lớp cảm biến gas; 2 – Điện cực; 3 – Đường điện cực; 4 – Cuộn nóng; 5 - Ống gốm; 6 – Màng chống nhiễu; 7 – Vòng kẹp; 8 – Lớp nhựa; 9 – Chân cắm.

Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến gas MQ – 2

Cảm biến gas được cấu tạo như hình 2.5, trong đó mỗi bộ phận có được làmbằng những vật liệu khác nhau, cụ thể là: lớp cảm biến gas (1) được làm từ chất bándẫn SnO2, chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí, nhưng khi môi trường có chấtgây cháy, độ dẫn của nó thay đổi nhanh, điện cực (2) được làm bằng vật liệu Au,đường điện cực (3) là chất Pt, cuộn nóng (4) được làm bằng hợp kim Ni – Cr, ống gốm(5) là chất Al2O3, màng chống nhiễu (6) được làm bằng thép không rỉ, vòng kẹp (7) và

các chân cắm (9) được làm bằng đồng mạ niken, cuối cùng là lớp nhựa (8) là nhựabakelite.

2.4.2 Thông số kỹ thuật

Cảm biến gas – MQ2 có phạm vi phát hiện khí gas lớn, độ nhạy và tuổi thọ cao.Cảm biến gas thường được tích hợp thành các module có thể ứng dụng vào các mạchbáo khí gas mà không cần dùng đến vi điều khiển

1 – Chân Vcc; 2 – Chân Gnd; 3 – Chân Digital; 4 – Chân Analog.

Hình 2.6: Mạch nguyên lý module cảm biến gas MQ – 2

Module cảm biến gas có mạch nguyên lý như hình 2.6, khi cấp điện áp Vcc tạichân 1 với mức 5V ±0,1 AC hoặc DC, thì lúc này cảm biến gas – MQ2 hoạt động, điện

áp tại chân 4, 6 của cảm biến cũng là điện áp tại chân Aout 4 (chân analog có điện ápchạy từ 0,3 – 4,5 V)

Module cảm biến gas – MQ2 có thể xuất tín hiệu ở mức 1/0 tại chân Dout(digital), điện áp tại chân 4, 6 của cảm biến mắc vào chân 2 của opamp LM393 để sosánh với giá trị điện áp của biến trở 10k (biến trở được cấp nguồn +5V, chân ra củabiến trở được mắc vào chân 3 của opamp LM393), có thể điều chỉnh biến trở để thayđổi tín hiệu ở chân Dout của cảm biến Tại opamp LM393, nếu điện áp của chân 3 lớnhơn chân 2 thì chân Out sẽ xuất tín hiệu ở mức 1, led báo D1 tắt, ngược lại điện ápchân 2 lớn hơn chân 3 thì chân Out sẽ xuất tín hiệu ở mức 0, led báo D1 sáng

Bảng 2.1: Phạm vi phát hiện của cảm biến MQ – 2 đối với một số chất khí

Trong môi trường không khí sạch, điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện

áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ – 2 càng cao Cảm biếndựa trên nguyên lý thay đổi độ dẫn điện của một màng mỏng bán dẫn (oxit bán dẫn)tạo nên điện tích không gian khi hấp thụ chất khí trên bề mặt

Cảm biến có tính lựa chọn thấp và độ dẫn bề mặt chịu ảnh hưởng của nhiệt độmôi trường, độ ẩm và khí oxy Để cải thiện tính lựa chọn nhận biết khí gas của cảmbiến người ta phải chọn nhiệt độ làm việc thích hợp và pha thêm vào lớp oxit một chấtxúc tác như Pd, Cu, Ni, Pt Thời gian đáp ứng của cảm biến nằm trong khoảng từ vàigiây đến vài phút, giới hạn đo cỡ 1ppm

Nhược điểm của cảm biến là độ ổn định theo thời gian thấp, thường xuyên phảichuẩn lại hoặc thay thế Ưu điểm của chúng là giá thành rẻ

2.5 Cảm biến hồng ngoại

2.5.1 Giới thiệu

1 – Led phát; 2 – Led thu.

Hình 2.7: Led hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại chủ yếu sử dụng led (1) làm nguồn phát ánh sáng, vàdùng phototransistor (2) nhận tín hiệu, dựa vào ánh sáng phản xạ phát hiện ra đốitượng.

2.5.2 Nguyên lý hoạt động

a) Loại khuyết tán; b) Loại phản xạ gương; c) Loại thu phát độc lập.

Hình 2.8: Các hình thức thu/phát của cảm biến hồng ngoại

Loại khuyết tán (hình 2.8 a): có bộ thu và bộ phát được gắn trên một đầu cảmbiến và phát hiện vật dựa vào ánh sáng phản xạ trực tiếp từ bề mặt vật Ưu điểm củaloại này lắp đặt gọn, nhưng nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng bởi dạng bề mặt và màusắc của vật thể, khoảng cách phát hiện không xa do bề mặt do bề mặt hoặc góc nghiênvật làm ánh sáng bị tổn thất một phần khi phản xạ

Loại phản xạ gương (hình 2.8 b): bộ thu và bộ phát gắn cùng nhau nhưng ánhsáng phản xạ từ gương, vật bị phát hiện khi chắn ngang chùm sáng giữa gương và bộthu Loại này có thể lắp ở các vị trí nhỏ hẹp, phát hiện được vật thể ở khoảng cách xa

do chùm tia sáng hầu hết được phản xạ lại bộ thu và không bị ảnh hưởng bởi hìnhdạng, màu sắc của vật thể

Loại thu phát độc lập (hình 2.8 c): bộ thu và bộ phát gắn riêng rẽ, vật bị pháthiện khi chắn ngang chùm sáng từ bộ phát đến bộ thu Khoảng cách phát hiện xa nhất,

ổn định, và không bị ảnh hưởng bởi hình dạng, màu sắc của vật thể Tuy nhiên, khi lắpđặt cần phải căn chỉnh để bộ phát và thu thẳng hàng, cần nguồn cung cấp cho cả haiđầu cảm biến, đòi hỏi nhiều không gian và dây dẫn.

2.6 Cảm biến màu TCS3200

2.6.1 Giới thiệu

Với sự phát triển của thời đại công nghiệp hóa, tự động hóa đòi hỏi việc nhậnbiết màu sắc sản phẩm ngày càng phải nhanh chóng và chính xác Để đáp ứng đượcyêu cầu trên thì các cảm biến phân biệt màu ra đời, điển hình là cảm biến màuTCS3200

Hình 2.9: Modul cảm biến màu TCS3200

2.6.2 Thông số kỹ thuật

 Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao

 Lập trình lựa chọn bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần số xuất ra

 Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển

 Điện áp đầu vào: từ 2,7 – 5,5 V

 Sai số khoảng 2% tại 50 kHz

 Điện năng tiêu thụ thấp

 Ổn định với nồng độ 200ppm/oC

1 – Chân S0; 2 – Chân S1; 3 – Chân OE´ ; 4 – Chân Gnd;5 – Chân Vcc;

6 – Chân Out; 7 – Chân S2; 8 – Chân S3.

Hình 2.10: Sơ đồ chân của cảm biến màu TCS3200

Cảm biến màu gồm có 8 chân như hình 2.10 và chức năng từng chân được mô

tả như sau: chân S0, S1 (1, 2) dùng để lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra; chân OE´ (3) đầuvào của cảm biến màu cho phép xuất tần số ở chân out; chân cấp nguồn gồm có chânVcc (5) nối nguồn +5V và chân Gnd (4) nối mass; chân out (6) ngõ ra tần số để cấpcho vi điều khiển; chân (7, 8) dùng lựa chọn các bộ lọc màu

2.6.3 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.11: Sơ đồ khối chức năng cảm biến màu TCS3200

Sơ đồ khối chức năng của cảm biến màu TCS3200 (hình 2.11) có khối đầu tiên

là mảng ma trân 8x8 gồm các photodiode Có 16 photodiode lọc màu đỏ, 16photodiode lọc màu xanh lá cây, 16 photodiode lọc màu xanh dương, và 16photodiode không có bộ lọc Các photodiode cùng màu được nối song song với nhau,

và đặt xen kẽ với các photodiode khác giúp chống nhiễu Hai chân S2, S3 được sửdụng để chọn photodiode tách sóng quang.

lá cây sẽ được chặn Vì vậy, cảm biến có thể nhận được cường độ ánh sáng màu đỏ.Tương tư, khi lựa chọn các bộ lọc khác mà chúng ta có thể nhận được ánh sáng màuxanh hoặc màu xanh lá

2.7 Cảm biến siêu âm SRF05

2.7.1 Giới thiệu

Cảm biến siêu âm SRF05 phát triển từ SRF04, thiết kế làm tăng tính linh hoạt,tăng phạm vi, giảm bớt chi phí Khoảng cách phát hiện vật từ 3 – 4m, cảm biến SRF05

có thêm chế độ tích hợp kích hoạt và phản hồi trên một chân, giúp tiết kiệm chân cho

vi điều khiển

2.7.2 Thông số kỹ thuật

1 – Chân Vcc; 2 – Chân Trig; 3 – Chân Echo; 4 – Chân Out; 5 – Chân Gnd.

Hình 2.12: Cảm biến siêu âm SRF05

Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm củadiện tích mặt của các cảm biến và cố định Chùm tia của cảm biến được sử dụng trênSRF05 được thể hiện trên hình 2.13

Hình 2.13: Độ rộng chùm tia siêu âm

Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản

xạ của nó Một đối tượng ở một góc cân đối thì mới có thể chuyển thành tín hiệu phảnchiếu một chiều cho cảm biến nhận

Hình 2.14: Mức độ sóng âm hồi tiếp

Vùng phát hiện của cảm biến siêu âm SRF05: Các vùng phát hiện của SRF05nằm trong khoảng 1m chiều rộng và không quá 4m chiều dài

Hình 2.15: Vùng phát hiện cảm biến siêu âm

Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiềurộng lớn hơn cự ly gần là thêm một cải tiến bằng các thêm một đơn vị SRF05 bổ sung

và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước Thiết lập như vậy thì có một khu vực

mà cảm biến có vùng phát hiện chồng chéo lên nhau

Hình 2.16: Kỹ thuật làm giảm điểm mù

Các vùng hoạt động của 2 cảm biến SRF05 tạo góc chung 30 độ Vùng chungthì được phân biệt bởi 2 phần tín hiệu trái phải và phần cân ở giữa

2.7.3 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu SRF05 phát hiện ra vật theo nguyên lý phản xạ dựa vào thời giantruyền sóng, sóng siêu âm phát ra từng đợt rồi đợi sóng phản xạ trở về

Hình 2.17: Nguyên lý phản xạ sóng siêu âm

Khi đặt tín hiệu điện áp tần số cao từ mạch dao động lên tinh thể áp điện của bộchuyển đổi, tinh thể co, giãn liên tục theo tần số tín hiệu dao động tạo ra một sóng siêu

âm Sóng siêu âm này được truyền đi trong không khí đến vật rồi phản xạ trở lại cảmbiến

Có hai chế độ mà cảm biến siêu âm SRF05 hoạt động là: Chế độ tách biệt kíchhoạt và phản hồi và chế độ dùng một chân cho việc kích hoạt và phản hồi

2.7.3.1 Chế độ 1: Tách biệt kích hoạt và phản hồi

Hình 2.18: Chế độ 1 của cảm biến siêu âm SRF05

Sử dụng chế độ này: mắt chân Trig và Echo của SRF05 vào vi điều khiển, cònchân Out thì không nối

Hình 2.19: Giản đồ định thời SRF05 tách biệt kích hoạt và phản hồi

2.7.3.2 Chế độ 2: Dùng một chân cho kích hoạt và phản hồi

Hình 2.20: Chế độ 2 của cảm biến siêu âm SRF05

Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và phản hồi, vàđược thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng Để sử dụng chế độnày, chân Out nối mass 0V Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tínhiệu kích hoạt SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúccác tín hiệu kích hoạt

Hình 2.21: Giản đồ định thời SRF05 nối chung kích hoạt và phản hồi

Với giản đồ định thời SRF05 thể hiện ở hai chế độ trên, chỉ cần cung cấp mộtđoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách Các SRF05 sẽ cho

ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40kHz và tăng cao dòng phản hồi của nó (hoặckích hoạt ở chế độ 2) Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm cácdòng phản hồi lại Nếu không phát hiện gì SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nósau khoảng 30mS

SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng sau 50mS (20 lần mỗi giây) Nênchờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần

và xung phản hồi ngắn hơn Điều này là để đảm bảo các sóng siêu âm đã phai mờ vàkhông gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp

2.7.4 Ứng dụng

Hình 2.22: Nguyên tắc Time Of Flight

Do cảm biến siêu âm SRF05 có thể phát hiện được vật dựa vào nguyên lý phản

xạ sóng siêu âm, nên cảm biến được dùng đo khoảng cách từ cảm biến đến vật cảntheo nguyên tắc TOF (Time Of Flight) như hình 2.22

Bằng cách đo thời gian xung truyền đi và phản hồi trở lại cảm biến thì có thểtính được khoảng cách từ cảm biến đến vật Công thức tính khoảng cách:

Hình 2.23: Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 (hình 2.23) là một board mạch dựa trên vi xử lý Atmega

2560 Nó có 54 chân kỹ thuật số được sử dụng làm ngõ vào hay ngõ ra, có 16 ngõ vàoanalog, 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), một thạch anh dao động 16 MHz, cổngkết nối USB, một jack cắm điện, có chuẩn nạp ICSP, và một nút reset

Arduino Mega 2560 tương thích với hầu hết các Shield dành cho Arduino Uno,Duemilanove hoặc Diecimila

2.8.2 Thông số kỹ thuật

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của board Arduino Mega 2560

PWM)

Dòng DC tối đa chân ra ở chân 3,3V 50 mA

Arduino Mega 2560

2.9 Động cơ DC

2.9.1 Cấu tạo

1 – Stator; 2 – Rotor; 3 – Chổi than; 4 – Cổ góp điện;

5 – Cuộn cảm (cuộn kích từ); 6 – Cuộn ứng; 7 – Cực từ.

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động cơ DC đơn giản

Từ trường được tạo ra nhờ các cuộn dây (5) có dòng điện một chiều chạy qua(hình 2.24) Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (cuộn kích từ) và được cuốn quanh cáccực từ (7) Trên stator (1) có đặt các cuộn cảm nên stator được gọi là phần cảm Từtrường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một lực từ vào các dây dẫn rotor (6) đặt trongcác rãnh của rotor (2) khi có dòng điện chay qua Cuộn dây này gọi là cuộn ứng Dòngđiện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than (3) và cổ góp (4) Rotor mang cuộn ứng nêncòn gọi là phần ứng

2.9.2 Nguyên lý hoạt động

Khi động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ trường dọc trục cực từ và phân bố đốixứng đối với cực từ Trên mặt phẳng 00’ có đặt chổi than, vừa là mặt phẳng trung tínhhình học vừa là mặt phẳng trung tính vật lý Đồng thời, dòng điện trong cuộn ứng cũngtạo ra từ trường riêng hướng ngang trục cực từ, dẫn đến từ trường tổng trong động cơ

chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện và làm dây dẫnchuyển động.

2.9.3 Phương pháp điều khiển

Đổi chiều động cơ: Có thể thay đổi chiều quay của động cơ bằng cách thay đổichiều của từ thông hoặc thay đổi chiều của dòng điện phần ứng

Có nhiều cách điều khiển tốc độ động cơ dc, sau đây là hai cách cơ bản:

 Thay đổi từ thông Φ, thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ

 Điều chỉnh điện áp phần ứng, sử dụng phương pháp băm xung PWM

2.10 Mạch cầu H L298

2.10.1 Giới thiệu

IC L298 là mạch tích hợp đơn chíp có kiểu vỏ công suất 15 chân (Multiwatt 15)

và dán công suất (PowerSO20) 20 chân Là IC mạch cầu đôi (dual full - bridge) cókhả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL

và lái tải cảm kháng như relay, cuôn solenoid, động cơ DC và động cơ bước Nó có 2chân enable để cho phép hoặc không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tínhiệu vào Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi mạch cầu được nối với nhau

và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần

Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở điện thếthấp hơn Điện áp vào lên đến 46 V, tổng dòng DC chịu đựng lên đến 4 A Có chứcnăng bảo vệ quá nhiệt Điện áp logic ‘0’ từ 1,5 V trở xuống (lề miễn nhiễu lớn)

2.10.2.Nguyên lý hoạt động

Khi điều khiển, việc cấp sai tín hiệu đầu vào có thể dẫn đến hư hỏng L298,thậm chí gây hại cho vi xử lý, nên ta có thể sử dụng module mạch cầu H sử dụng ICL298 nhằm hạn chế rủi ro xảy ra trên thiết bị

Hình 2.25: Module mạch cầu H L298

Khi ENA = 0: động cơ không quay với mọi đầu vào

Khi ENA = 1:

 INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuận

 INT1 = 0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch

 INT1 = INT2: động cơ dừng lại

Tương tự với chân ENB, INT3, INT4