Nghiên cứu về các loại cảm biến và ứng dụng trong thực tế

cảm biến siêu âm HC –SR04 1 Thế cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm thiết bị cảm biến hoạt động dựa sóng siêu âm Cũng giống loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm dùng chủ yếu để đo khoảng cách vận tốc Ngồi cịn sử dụng ứng dụng làm sóng siêu âm dùng siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đốn hình ảnh) Cảm biến siêu âm HC-SR04 Cấu tạo cảm biến HC-SR04 Cấu tạo cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm phần: Bộ phận phát sóng siêu âm Cấu tạo đầu phát đầu thu siêu âm loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao tần số thường 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách Phát sóng cảm biến siêu âm HC-SR04 Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ Thiết bị thu dạng loa gốm có cấu tạo nhạy với tần số chẳng hạn 40KHz Qua loạt linh kiện OPAM TL072, transistor NPN…Tín hiệu liên tục khuếch đại biên độ cuối đưa qua so sánh, kết hợp với tín hiệu từ điều khiển để đưa điều khiển Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu Vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính tốn thời gian từ phát đến thu sóng siêu âm nhận tín hiệu TRIG Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04 Cảm biến siêu âm hoạt động dựa nguyên lý phát sóng phản xạ sóng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỀ TÀI: Nghiên cứu về các loại cảm biến và ứng dụng

trong thực tế

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Lân

Sinh viên thực hiện :

TP.HCM, Năm 2021

Báo Cáo

1 Thế nào là cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là một thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên sóng siêu âm Cũng giống như các loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âmđược dùng chủ yếu là để đo khoảng cách hoặc vận tốc Ngoài ra thì còn được sử dụng trong các ứng dụng như làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc dùng trong siêu âm

y khoa (siêu âm chuẩn đoán hình ảnh)

HC-SR04

2 Cấu tạo cảm biến HC-SR04

Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần:

Bộ phận phát sóng siêu âm

Cấu tạo của các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm đặc biệt, phát siêu âm

có cường độ cao ở tần số thường là 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách

Phát sóng trên cảm biến siêu âm HC-SR04

Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ

Thiết bị thu là dạng loa gốm có cấu tạo chỉ nhạy với một tần số chẳng hạn như 40KHz Qua một loạt các linh kiện như OPAM TL072, transistor NPN…Tín hiệu này liên tục được khuếch đại biên độ và cuối cùng là đưa qua một bộ so sánh, kết hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển để đưa về bộ điều khiển

Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu

Vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) được sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử

lý tính toán thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu âm nếu nhận được tín hiệu TRIG

3 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng và phản xạ sóng Nguyên lý này tương tự như ở loài dơi Khi tìm mồi trong đêm, dơi thường phát ra các dạng sóng siêu âm và khi các sóng siêu âm này gặp các vật cản sẽ phản xạ lại sóng và giúp dơi xác định được chướng ngại vật trước mặt Đối với cảm biến siêu

âm cũng vậy; khi ta cấp nguồn hoạt động, cảm biến sẽ phát ra 1 chùm sóng siêu âmliên tục Khi các chùm sóng này chạm đến bề mặt vật cản sẽ phản xạ ngược lại cảmbiến Lúc này cảm biến sẽ thu lại các chùm sóng và tính toán khoảng cách từ cảm biến đến vật cản dựa trên thời gian phản xạ và vận tốc của sóng

Để đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn(5 microSeconds) từ chân Trig Tiếp theo, 1 xung HIGH ở chân Echo sẽ được cảm biến tạo ra và phát đi cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở chân này Lúc này,

độ rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến và phản xạ lại

Trong không khí, tốc độ âm thanh đạt mức 340 m/s (hằng số), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100))

 Dòng điện: 15mA

 Tần số: 40 KHZ

 Khoảng cách phát hiện: 2cm – 4m

 Tín hiệu đầu ra: Xung mức cao 5V, mức thấp 0V

 Góc cảm biến: Không quá 15 độ

7 Ứng dụng cảm biến siêu âm trong thực tế

 Cảm biến siêu âm đo khoảng cách

 Cảm biến siêu âm đo mức nước

 Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản:

biến siêu âmcông nghiệp:

II Giới thiệu về cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1

1 Thế nào là cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng là một thiết bị thụ động chuyển đổi “năng lượng ánh sáng” này cho dù có thể nhìn thấy hoặc trong các phần hồng ngoại của quang phổ thành tín hiệu điện

Cảm biến ánh sáng là thiết bị cảm biến thông minh có khả năng nhận biết các biến đổi của môi trường thông qua mắt cảm biến để kịp thời điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp Cảm biến này nhận biết ánh sáng và điều chỉnh thay đổi dựa trên các đi-ốt quang học

2 Các loại cảm biến ánh sáng

a Photoresistors (LDR)

Loại cảm biến ánh sáng phổ biến nhất được sử dụng trong mạch cảm biến ánh sáng là chất cảm quang, còn được gọi là điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) Chất

suốt một ngày

c Phototransistors

Loại cảm biến ánh sáng cuối cùng chúng ta sẽ khám phá hôm nay là phototransistor Cảm biến ánh sáng phototransistor có thể được mô tả như một bộ khuếch đại photodiode Với sự khuếch đại được thêm vào, độ nhạy sáng tốt hơn nhiều trên các phototransistors.

2 Cấu tạo cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1

Quang trở LDR

Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết

bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,

Biến trở

Transistor

Transistor hay còn gọi là tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, chúng thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử Transistor nằm trong

khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động Transistor cũng được kết hợp thành mạch tích hợp (IC),

có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một diện tích nhỏ.

*Ngoài ra cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1 còn được tích hợp IC LM393 để xử lý tín hiệu

IC LM393

Cấu tạo của cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1

3 Nguyên lý hoạt động

Khi vào buổi tối tắt đèn không có ánh sáng chiếu vào quang trở, điện trở LDR tăng, dòng IB nhỏ, VBE(Q1) < 0.7, Q1 không dẫn, vì vậy điện áp đầu vào không điqua cực CE của Q1 mà qua điện trở R1 vào cực B của Q2, VBE(2) > 0.7, Q2 dẫn, điện áp đầu vào đi qua R2 qua led làm led sáng và chạy vào cực E nối mass của Q2 Kết luận: Khi không có ánh sáng đèn led tự động sáng

Khi có ánh từ bền ngoài chiếu vào quang trở, điện trở LDR giảm, dòng IB lớn, VBE(Q1)>0.7, Q1 dẫn, vì vậy điện áp đầu vào đi qua R1 qua cực CE của Q1, dẫn đến VBE(Q2) < 0.7, Q2 đóng, không có dòng qua led, led tắt Kết luận: Khi có ánhsáng là Led tắt

Mạch nguyên lý hoạt động của cảm biến ánh sáng

4 Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 6v

 VCC: Nối nguồn 3.3 ~6V

 GND: Nối Mass 0V

 Chế độ hoạt động: LED sáng khi trời tối

 Tín hiệu ra: Digital

 Nhiệt độ hoạt động: < 80 oC

 Kích thước: 3cm x 1.6cm

5 Sơ đồ xử lý tín hiệu

6 Sơ đồ mạch kết nối Arduino

7 Ứng dụng cảm biến siêu âm trong thực tế

Điều khiển Led trong bể cá

DS18B20 hoạt động với điện áp từ 3V-5,5V, có thể được cấp nguồn thông

DS18B20 có thể đo được nhiệt độ trong tầm -55 – 1250C với độ chính xác (+

- 0,50C) Mỗi DS18B20 có một serial code 64 bit duy nhất, điều này cho phép kết nối nhiều IC trên cùng đương Bus

b) Chuẩn wire có đặc điểm sau

- Chỉ có 1 master trong hệ thống

- Gía thành thấp

- Tốc độ đạt tối đa là16kbps

- Khoảng cách truyền xa nhất là 300m

- Lượng thông tin trao đổi nhỏ

2 Cấu tạo cảm biến nhiệt độ DS18B20

a) Sơ đồ chân

b) Các thanh ghi dữ liệu

Mỗi IC DS18B20 có một mã 64 bit riêng biệt gồm: 8 bit Family code, 8 bit serial code và 8 bit CRC code được lưu trong ROM.Các giá trị này giúp phân biệt các IC với nhau trên cùng 1 bus Giá trị Family code của DS18B20

Tổ chức bộ nhớ Scratchpad:

Bộ nhớ DS18B20 gồm 9 thanh ghi 8 bits

Bảng tổ chức bộ nhớ DS18B20

- Byte 0 và 1 lưu giá trị nhiệt độ chuyển đổi

- Byte 2 và 3 lưu giá trị ngương nhiệt độ Giá trị này được lưu khi mất điện

- Byte 4 la thanh ghi cấu hình cho hoạt đông của DS18B20

- Byte 5,6 và 7 không sử dụng

- Byte 8 là thanh ghi chỉ đọc lưu giá trị CRC từ byte 0 đến 7

- Dữ liệu trong byte 2,3,4 được ghi thông qua lệnh Write Scratchpad[4Eh]

và dư liệu được chuyển đến DS18B20 và bit LSB của byte 2, sau khi ghi

dữ liệu có thể được đọc thông qua lệnh Read Scratchpad[BEh], và khi đọc Scratchpad thì bit LSB của byte 0 sẽ được gửi đi trước tất cả các byte

đều được đọc, nhưng chỉ ghi được byte Để chuyển giá trị TH và TL vào EEPROM thì cần gửi lệnh copy Scratchpat [48] đến DS1820 Và dữ liệu

từ EEPROM cũng được chuyển vào thanh ghi TH, TL thông qua lệnh Recall E2 [B8h]

và IC trở về trang thái nghỉ

Mã nhị phân và lục phân tương ứng nhiệt độ

Nhiệt độ sau khi được lưu trong 2 thanh ghi bộ nhớ sẽ được so sánh với 2 thanh ghi ngưỡng nhiệt độ TH và TL Các giá trị ngưỡng nhiệt độ do người dung quy định, và nó sẽ không thay đổi khi mất điện

Như vậy chỉ có phần nguyên, các bit 11-4 của giá trị nhiệt độ được so sánh với thanh ghi ngưỡng Nếu giá trị nhiệt độ đọc về nhỏ hơn mức TL hoặc lớn hơn mức TH thì cờ báo quá nhiệt sẽ bật lên, và nó sẽ thay đổi ở mỗi quá trình đọc nhiệt độ Vi điều khiển có thể kiểm tra trạng thái quá nhiệt bằng lệnh Alarm Search[ECh]

6) sơ đồ xử lý tín hiệu

7 Ứng dụng

- Cảm biến nhiệt độ điều chỉnh nhiệt độ phòng(công tắc nhiệt độ)

- Đo nhiệt độ môi trường

- Cảm biến nhiệt độ làm mát hoạt động