Đồ án chuyên đề MẠCH PHÁT HIỆN VẬT CẢN BẰNG HỒNG NGOẠI KẾT HỢP GƯƠNG PHẢN XẠ

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐHSG Tp.Hồ Chí Minhnói chung, các thầy cô trong khoa ĐTVT nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về cácmôn đại cương cũng như cá

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

Nhóm: 03 TN: 09

MẠCH PHÁT HIỆN VẬT CẢN BẰNG HỒNG NGOẠI KẾT HỢP GƯƠNG PHẢN XẠ

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 05 NĂM 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

MSV165143 Nhóm: 0 TN: 0

MỤC LỤC

Trang

Mục lục 2

Lời cảm ơn 3

Lời cam đoan 4

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

1 Lý thuyết về hồng ngoại: 6

1.1 Phân loại: 8

1.2 Nguồn phát tia hồng ngoại: 10

1.3 Tính chất: 10

2 Cảm biến hồng ngoại E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ: 11

2 1 Mô tả: 11

2.2 Thông số kỹ thuật: 12

2.3 Sơ đồ chân: 12

2.4 Nguyên lý hoạt động của Sensor E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ: 13

3 Sơ lược về Arduino Uno R3: 17

3.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3: 17

3.2 Vi điều khiển: 18

3.3 Năng lượng: 18

3.4 Các chân năng lượng: 18

3.5 Bộ nhớ: 19

3.6 Các cổng vào/ra: 19

3.7 Lập trình cho Arduino: 20

4 Buzzer: 22

4.1 Giới thiệu: 22

4.2 Thông số kĩ thuật: 22

4.3 Sơ đồ chân: 23

4.4 Nguyên lý hoạt động: 23

4.5 Ứng dụng: 23

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 24

1 Sơ đồ khối: 24

2 Mạch nguyên lý: 24

3 Lưu đồ giải thuật: 25

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐHSG Tp.Hồ Chí Minhnói chung, các thầy cô trong khoa ĐTVT nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về cácmôn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vữngvàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quantâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành tiểu luận mônhọc

        Tp.Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 05 năm 2020.

Thiên

Chúc Kim Thiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kì một công trình nào khác

Tác giả

Chúc Kim Thiên

Trần Hồng Phát

Lời mở đầu

Hệ thống xác định vật cản dành cho hộ gia đình là một hệ thống nhằm cải thiện thêmtính an toàn cho các hộ gia đình trong mục đính chống trộm Vì chi phí chế tạo hệthống khá đắt so với nguồn tài chính của nhiều hộ gia đình nên nhóm em quyết định làm

đề tài xác định vật cản chống trộm cho các hộ gia đình chỉ với chi phí hợp lí và chấtlượng không thua kém hệ thống trang bị trong các hộ gia đình giàu có, sang trọng

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Tổng quan lý thuyết về tia hồng ngoại, các hệ thống phát hiện chướng ngại vật

Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán khoảng cách cho cảm biến khi tín hiệuđưa về

Dung phần mềm để lập trình và điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách và điềukhiển cảm biến

Phương pháp nghiên cứu:

Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu các hệ thống xác định vật cản của các hệ thống chống trộm trên thế giới.Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống

Đánh giá tổng quát toàn bộ bản báo cáo nghiên cứu khoa học Đề nghị hướng phát triểncủa đề tài

Giá trị thực tiễn của đề tài:

Từ nhu cầu và sự an toàn của các hộ gia đình khi được trang bị hệ thống phát hiện vậtcản chống trộm, giúp cho các hộ gia đình có thể an tâm trong quá trình sinh hoạt giađình

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Lý thuyết về hồng ngoại:

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy (mắt người

có thể cảm nhận được màu sắc) nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba Tên “hồng ngoại” cónghĩa là “ngoài mức đỏ”, màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sang nhìnthấy

Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ ánh sáng

Tên Bước sóng Tần số (Hz) Năng lượng photon

(eV)Tia gamma ≤ 0,01nm ≥ 30 EHz 124keV – 300+

GeVTia X 0,01nm – 10nm 30EHz – 30PHz 124eV – 124keVTia tử ngoại 10nm – 380nm 30PHz – 790THz 3.3eV – 124eVÁnh sáng nhìn thấy 380nm – 700nm 790THz – 430THz 1.7eV – 3.3eVTia hồng ngoại 700nm – 1mm 430THz – 300GHz 1.24meV – 1.7eV

Vi ba 1nm – 1m 300GHz – 300MHz 1.7eV – 1.24meVRadio 1m – 100.000km 300MHz – 3Hz 12.4feV – 1.24meV

Vùng ánh sáng mà mắt người thông thường nhìn thấy, còn được gọi là “ánh sáng khả kiến”, có bước sóng từ 380nm đến 700nm hay tần số 430-790 THz Bức xạ hồng ngoại được định nghĩa có bước sóng từ 700nm (tần số 430 THz) đến 1mm (300GHz) Một số sinh vật có thể nhìn thấy tia hồng ngoại ở vùng gần kề với ánh sáng thường, cũng như trong một số thí nghiệm thì có người nhìn thấy đến vùng hồng ngoại 1050nm

Hình 1: Hình ảnh của một chú chó chụp bằng camera hồng ngoại nhiệt Những chỗ có nhiệt độ cao phát ra tia hồng ngoại tần số cao hơn, thể hiện bằng màu nóng sáng hơn trên hình.

Hình 2: Ảnh chụp ở các bước sóng khác nhau.

214-1653meV

886-Được xác định bởi sự hấp thụcủa nước, và thường được sửdụng trong viễn thông sợiquang vì tổn thất do suy giảmtrong thủy tinh SiO2 là ở mứctrung bình Các máy khuếchđại hình ảnh rất nhạy cảm vớivùng quang phổ này, nhưtrong các thiết bị nhìn đêm

214THz

100-886meV

413-Hấp thụ trong nước tăng đáng

kể tại 1,45µm Dải 1,56µm là vùng phổ hiệndùng nhiều trong viễn thôngđường dài

155-Trong công nghệ dẫn đườngtên lửa thì vùng 3-5 µm là cửa

sổ khí quyển, trong đó “đầu

dò tầm nhiệt” IR thụ động củatên lửa được bố trí để làmviệc, dẫn đường vào chỉ dấuhồng ngoại của máy bay mụctiêu, thường là chùm ống xảcủa động cơ phản lực Dải nàycòn được gọi là hồng ngoại

nhiệt, nhưng nó chỉ phát hiệnđược nhiệt độ hơi cao hơnnhiệt độ cơ thể.

37THz

20-155meV

83-Vùng của các “ảnh nhiệt”,trong đó các cảm biến có thểhoàn toàn thụ động thu đượchình ảnh các đối tượng cónhiệt độ chỉ hơi cao hơn nhiệt

độ phòng, ví dụ cơ thể conngười, mà không cần ánhsáng chiếu vào từ mặt trời,mặt trăng, hoặc đèn chiếuhồng ngoại Vùng này cònđược gọi là “hồng ngoạinhiệt”

20THz

0.3-83meV

1.2-Xem hồng ngoại xa và laserhồng ngoại xa

Phân loại tia hồng ngoại theo DIN Tên

gọi

Ký hiệu Bước

sóng µm

Nhiệt độ theo phân

>3700oK  Phần sóng ngắn của dãy NIR,

ranh giới 780nm xác định theothị giác của con người đối vớiphổ ánh sáng Mặt Trời

 Hồng ngoại chụp ảnh (ảnhmàu hồng ngoại,ColorInfraRed CIR) là 0,7-1,0

µm Phim chụp ảnh có thể hấpthụ dải này

IR-B 1,4…3,0

 Phần sóng dài của NIR

 Ranh giới được coi là vùnghấp thụ mạnh của nước ở 1,45µm

3oKelvin có thể nhìn thấy

1.2 Nguồn phát tia hồng ngoại:

Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều phát ra tia hồng ngoại

Ví dụ: Đèn LED màu đỏ, đèn của ổ cắm điện, remote, camera IR (hồng ngoại), máy thuphát sóng hồng ngoại

 Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần

 Tia hồng ngoại tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, và cũng gây đượchiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường

2 Cảm biến hồng ngoại E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ:

Hình 3: Cảm biến E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ

môi trường tự nhiên, cảm biến được sử dụng cho các ứng dụng cần cảm biến vật cản ởkhoảng cách xa, chống trộm, cửa tự động…

 Dòng điện đầu ra: 200-300mA

 Dòng tiêu thụ tối đa: 300mA

 Thới gian đáp ứng: <2,5ms

 Vật liệu vỏ: nhựa ABS

 Chiều dài dây: 1,2m (có thể tùy chỉnh độ dài)

 Tín hiệu đầu ra mức cao (VCC) khi cảm biến nhìn thấy gương Mức thấp khi cóvật che gương hoặc không thấy gương

Hình 4: Sơ đồ chân của E3F-R2N1

Lưu ý: Tín hiệu ra có dòng rất nhỏ nên KHÔNG ĐƯỢC kích trực tiếp vào relay (rơ le)

sẽ gây CHÁY cảm biến, có thể tham khảo các Module relay đã được thiết kế bảo vệ

2.4 Nguyên lý hoạt động của Sensor E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ:

Hình 5: Mạch nguyên lý của E3F-R2N1

Tín hiệu đầu ra OUT mức cao (VCC) khi cảm biến nhìn thấy gương Mức thấp khi có vật che gương hoặc không thấy gương

Hình 6: Cảm biến nhìn thấy gương

Hình 7: Cảm biến không nhìn thấy gương

Hình 8,9: Nguyên lý nhận tia hồng ngoại của gương phản xạ

Gương phản xạ không tuân theo định luật phản xạ ánh sáng giống như gương phẳng

Hình 10: Giao tiếp giữa cảm biến vs gương

Lưu ý: Hình ảnh cảm biến trên chỉ là minh họa

3 Sơ lược về Arduino Uno R3:

Nhắc tới dòng mạch Arduino dung để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tớichính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ 3 (R3)

Hình 11: Board Arduino UNO

3.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3:

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bitĐiện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dung 7-12V DCĐiện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA

Bộ nhớ flash 32KB (ATmega328) với 0.5KB dung

bởi bootloader

3.2 Vi điều khiển:

Hình 12: Vi điều khiển trên Board Arduino

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lý những tác vụ đơn giản nhưđiều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm mộttrạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với giákhoảng 90.000đ Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túitiền không cho phép, bạn có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chứcnăng tương đương nhưng rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với giákhoảng 45.000đ hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng 65.000đ

3.3 Năng lượng:

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồnngoài với điện áp khuyên dung là 7-12V DC với giới hạn 6-20V Thường thì cấpnguồn bằng pin vuông 9V là hợp lý nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổngUSB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng ArduinoUNO

3.4 Các chân năng lượng:

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn

dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân nàyphải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Uno có thể

được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn khôngđược lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khôngphải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên Board để reset vi điều khiển tương

đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

 Lưu ý:

 Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hếtsức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp choArduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến

nó thành một miếng nhựa chặn giấy

 Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra chocác thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn

sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuấtkhuyến khích.

 Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện ápdưới 6V có thể làm hỏng board

 Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điềukhiển ATmega328

 Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog củaArduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

 Cấp điện áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino Uno

sẽ làm hỏng vi điều khiển

 Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kỳ củaArduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếukhông dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

3.5 Bộ nhớ:

Vi điểu khiển ATmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong

bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong sốnày sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cầnquá 20KB bộ nhớ này đâu

 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn

khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càngcần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớRAM lại trở trành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trênSRAM sẽ bị mất

 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và

ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giốngnhư dữ liệu trên SRAM

3.6 Các cổng vào/ra:

Hình 13: Các chân I/O

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi

ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối) Một số chândigital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận

(receive- RX) dữ liệu TTL Serial Arduino UNO có thể giao tiếp với thiết

bị khác thông qua 2 chân này Kết nối Bluetooth thường thấy nói nôm nachính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạnkhông nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM

với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 -> 28-1 tương ứng với 0V->5V) bằnghàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh đượcđiện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và5V như những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài

các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệubằng giao thức SPI với các thiết bị khác

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (ký hiệu chữ L) Khi

bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nốivới chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sang.Arduino UNO có 6 chân analog (A0->A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit(0-> 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V->5V Với chân AREF trên

board, bạn có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức

là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để

đo điện áp trong khoảng 0V -> 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4(SDA) và A5(SCL) hỗ trợ giao tiếpI2C/TWI với các thiết bị khác

3.7 Lập trình cho Arduino:

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng Ngônngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung VàWiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một sốkhác thì gọi là C hay C/C++ Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, vàđội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từC/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình Tinhọc 11 thì việc lập trình Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm pháttriển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trìnhArduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) nhưhình dưới đây

Hình 14: Giao diện Arduino IDE

Đoạn mã nguồn như hình sẽ điều khiển một đèn LED nhấp nháy với chu kỳ 1 giây

sử dụng ở những vị trí cần phát ra âm thanh nhưng không quan tâm đến việc táitạo âm thanh trung thực, như lò vi sóng, báo cháy và đồ chơi điện tử Chúng rẻ

và kêu to mà không cần sử dụng nhiều năng lượng Chúng cũng rất mỏng, vì vậy

có thể được sử dụng trong các vật phẳng như thiệp chúc mừng

 Yếu tố áp điện cũng tạo ra một điện áp khi có áp lực Do đó, buzzer áp điện cũng

có thể được sử dụng như một cảm biến áp suất hoặc micro

 Bộ buzzer phức tạp hơn bao gồm mạch dao động và loa, vì vậy khi cấp điện áp ta

sẽ được một tiếng bíp hoặc tiếng còi Sonalert là tên thương hiệu phổ biến chocác thiết bị này, nên đôi khi bạn sẽ nghe thấy từ “Sonalert” được sử dụng để chỉbất kỳ loại còi hoặc module còi nào

 Ngoài ra còn có còi điện, sử dụng một cuộn dây và một tiếp điểm điện động Khicuộn dây được cấp điện, tiếp điểm được kéo về phía cuộn dây, nhưng nó nhanhchóng đóng mạch và tiếp điểm trở lại vị trí ban đầu tạo ra một âm thanh lớn.(Nếu bạn thêm một miếng sắt vào bộ này, bạn sẽ được chuông điện) Bạn có thểtạo một bộ buzzer với rơle điện bằng cách mắc nối tiếp cuộn dây với tiếp điểmthường đóng, mặc dù nó có thể sẽ kêu không to Chuông điện thường được sửdụng trong hệ thống báo động, chuông cửa, và chuông ở trường học

Hình 15 : Buzzer