ĐỌC CẢM BIẾN ÁNH SÁNG VÀ HIỂN THỊ MỨC ĐỘ SÁNG RA 3 LED MATRIX HỆ THỐNG NHÚNG( LẤY CODE PIC+ MÔ PHỎNG PROTEUS + VIDEO THUYẾT MINH LIÊN HỆ ZALO 0327697318)

ĐỌC CẢM BIẾN ÁNH SÁNG VÀ HIỂN THỊ MỨC ĐỘ SÁNG RA 3 LED MATRIX HỆ THỐNG NHÚNG( LẤY CODE PIC+ MÔ PHỎNG PROTEUS + VIDEO THUYẾT MINH LIÊN HỆ ZALO 0327697318)ĐỌC CẢM BIẾN ÁNH SÁNG VÀ HIỂN THỊ MỨC ĐỘ SÁNG RA 3 LED MATRIX HỆ THỐNG NHÚNG( LẤY CODE PIC+ MÔ PHỎNG PROTEUS + VIDEO THUYẾT MINH LIÊN HỆ ZALO 0327697318)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN TỬ

Môn học: HỆ THỐNG NHÚNG

Đề tài: ĐỌC CẢM BIẾN ÁNH SÁNG VÀ HIỂN THỊ MỨC ĐỘ SÁNG RA 3 LED MATRIX

SVTH : NGUYỄN ANH HÙNG MSSV : K175520114022

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 7 năm 2021

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 3

1 Giới thiệu đề tài 3

a.Các loại cảm biến ánh sáng 3

b.Cảm biến ánh sáng được sử dụng để làm gì? 4

c.Lợi ích khi sử dụng cảm biến ánh sáng 7

2.Giới hạn đề tài 7

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ (HOẶC KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI) 9

1.Giới thiệu tóm tắt 9

a.Ưu điểm 9

b.Nhược điểm 9

c.Ví dụ 9

2.Khảo sát sơ đồ khối (Sơ đồ tổng quát) 10

a.Khối cảm biến 10

b.Khối hiển thị 11

c.Khối đếm 15

d.Khối xử lý 15

e.Khối nguồn 17

f.Sơ đồ tổng quan 17

g.Sơ đồ nguyên lý cho toàn mạch 18

3.Lưu đồ và chương trình 18

a Giới thiệu yêu cầu điều khiển 18

b Lưu đồ 18

c.Chương trình 19

d.Giải thích các lệnh sử dụng trong chương trình 19

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

1.Giới thiệu đề tài

Bạn đã bao giờ nghe nói đến các thiết bị đèn có cảm biến ánh sáng vô cùng thông minh hay chưa? Vậy thực chất cảm biến ánh sáng nghĩa là gì, hãy cùng tìm hiểu các kiểu cảm biến và cách thức chúng hoạt động như thế nào nhé!

Cảm biến ánh sáng là một thiết bị quang điện giúp chuyển đổi năng lượng ánh sáng (photon) được phát hiện thành năng lượng điện (electron) 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 đúng lúc xoay chỉnh ánh sáng để phù hợp Cảm biến này biết được ánh sáng và xoay chỉnh thay đổi dựa trên các điot quang học

a.Các loại cảm biến ánh sáng

a1.Photoresistors(LDR)

Hình 1: Cảm biến ánh sáng Photodiodes

- 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 phát quang được sử dụng để đơn giản phát hiện xem đèn bật hay tắt và so sánh mức độ ánh sáng tương đối trong suốt một ngày

- Chất phát quang được làm bằng gì?

Một vật liệu bán dẫn có điện trở cao gọi là tế bào cadmium sulfide, rất nhạy với ánh sáng có thể nhìn thấy và ánh sáng gần với hồng ngoại

- Cách thức hoạt động của chất phát quang

Như tên gọi của nó, các bộ phát quang hoạt động tương tự như các điện trở thông thường, nhưng thay vào đó, sự thay đổi điện trở phụ thuộc vào lượng ánh sáng mà nó tiếp xúc

 Cường độ ánh sáng cao gây ra điện trở thấp hơn giữa tế bào cadmium sulfide

 Cường độ ánh sáng thấp dẫn đến điện trở cao hơn giữa các tế bào cadmium sulfide

Nguyên lý hoạt động này có thể được nhìn thấy trong các ứng dụng như đèn đường, trong đó vào ban ngày, cường độ ánh sáng cao hơn dẫn đến điện trở thấp hơn và không

có ánh sáng được tạo ra

a2 Photodiodes

Hình 2:Cảm biến ánh sáng Photodiodes

- Photodiodes là một loại cảm biến ánh sáng khác, thay vì sử dụng sự thay đổi điện trở như LDR, dễ dàng thay đổi ánh sáng thành dòng điện

- Photodiodes được làm bằng gì?

Photodiodes chủ yếu được làm từ vật liệu silicon và gecmani và bao gồm các bộ lọc quang học, ống kính tích hợp và diện tích bề mặt

- Cách thức hoạt động:

Photodiodes hoạt động trên nguyên lý làm việc được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong Nói một cách đơn giản, khi một chùm ánh sáng chiếu vào, các electron bị nới lỏng, gây ra các lỗ electron dẫn đến dòng điện chạy qua

Ánh sáng càng lớn, dòng điện sẽ càng mạnh

- Ứng dụng cảm biến ánh sáng photodiode

 Các thiết bị điện tử tiêu dùng đầu đĩa compact, thiết bị điều khiển từ xa

 Các ứng dụng y tế như thiết bị / dụng cụ dùng để đo lường và phân tích

 Các hệ thống năng lượng mặt trời như tấm pin mặt trời

a3 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

b Cảm biến ánh sáng được sử dụng để làm gì?

-Cảm biến ánh sáng hầu như luôn luôn là một mặt phẳng, khi cảm biến được chiếu vuông góc với vật thể, nó đạt được hiệu quả cao Và nếu vật thể có màu sáng, cảm biến sẽ đo được nhiều thông tin hơn (vì màu tối, đặc biệt là màu đen không phản chiếu lại nhiều ánh sáng, nên sẽ cho ít thông tin hơn)

b1 Đèn năng lượng mặt trời

Cảm biến ánh sáng được thấy rõ là khi đèn năng lượng có thể tự động bật, tắt khi trời sáng, trời tối rất tiện lợi, giúp người dùng sử dụng dễ dàng hơn (đặc biệt là với những người cao tuổi, trẻ nhỏ), không cần mất công hàng đêm bật đèn cũng như tắt khi không sử dụng vào ban ngày

b2 Thiết bị điện tử

Hình 3:Cảm biến ánh sáng trên điện thoại iphone Bạn đã bao giờ tự hỏi thứ gì đằng sau điện thoại thông minh và máy tính bảng của bạn cho phép điều chỉnh độ sáng màn hình tự động chưa? Vâng, đó là một cảm biến ánh sáng xung quanh! Nó đo mức ánh sáng của môi trường xung quanh bạn và xác định độ sáng phù hợp của màn hình của bạn!

b3.Xe ô tô

Tương tự như cách cảm biến ánh sáng hoạt động trên điện thoại thông minh của bạn, nó được sử dụng trong ô tô để hỗ trợ tầm nhìn của người lái Cảm biến ánh sáng hiện tại phát hiện ánh sáng xung quanh và nếu trời quá tối, nó sẽ tự động bật hệ thống ánh sáng!

b4 Ứng dụng trong bảo mật

Thường được sử dụng trong các mạch để vận chuyển hàng hóa, các cảm biến ánh sáng được kết nối với các mạch và được đặt bên trong vì nó có thể phát hiện bất

cứ khi nào một container được mở do sự thay đổi trong tiếp xúc với ánh sáng Điều này giúp xử lý tốt hơn các hàng hóa bị mất và theo dõi nhân sự

b5 Điều chỉnh độ sáng

Cảm biến ánh sáng có rất nhiều công dụng Việc sử dụng phổ biến nhất trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta là trong màn hình điện thoại di động và màn hình máy tính bảng Hầu hết các thiết bị điện tử cá nhân cầm tay hiện nay đều có trang bị cảm biến ánh sáng và được sử dụng để điều chỉnh độ sáng Nếu thiết bị cảm nhận rằng bạn đang xem màn hình ở một nơi tối, nó sẽ giảm độ sáng màn hình để tiết kiệm năng lượng và ngược lại, nếu bạn đang ở ngoài trời với rất nhiều ánh sáng, nó sẽ tăng độ sáng màn hình lên

Một cách sử dụng phổ biến khác cho cảm biến ánh sáng là điều khiển đèn tự động trong ô tô và đèn đường Sử dụng cảm biến ánh sáng để tự động kích hoạt bóng đèn khi trời đã đủ tối bên ngoài

b6 Bảo vệ vật dụng quan trọng

Một ứng dụng khác của cảm biến ánh sáng là phát hiện xâm nhập trái phép Một ví dụ về ứng dụng này xuất hiện trong hệ thống bảo mật nhà bằng vân tay: ngoài cảm biến vân tay, các công ty phải lắp đặt thêm các cảm biến ánh sáng, để phát hiện xem cửa nhà có được đóng sau khi mở cửa cho người nhà ra vào hay chưa Nếu chưa đóng, hệ thống cảm biến ánh sáng sẽ báo cho chuông cảm biến, và reng báo hiệu cho người dùng

Hình 4: SHP-DP728 Một ứng dụng khác dùng để bảo vệ các tài sản nghệ thuật Ví dụ, tranh và ảnh trên giấy và các tác phẩm nghệ thuật cũ hơn có thể bị hỏng do tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, vì vậy điều quan trọng là phải biết chúng tiếp xúc với bao nhiêu ánh sáng là vừa đủ Khi vận chuyển một tác phẩm nghệ thuật, một cảm biến ánh sáng có thể được

sử dụng để xác minh rằng nó không được để dưới ánh mặt trời quá lâu.

b7 Lắp đặt hệ thống Pin mặt trời

Thật vô nghĩa khi xây dựng và lắp đặt một tấm pin mặt trời ở một vị trí nhất định mà nó không thu được nhiều ánh sáng mặt trời trực tiếp Do đó, một cảm biến ánh sáng được sử dụng để tìm vị trí tốt nhất, nơi có nhiều ánh sáng mặt trời trực tiếp nhất

Hình 5: Hệ thống pin mặt trời

b8 Nông nghiệp

Các loại cây trồng khác nhau cần lượng ánh sáng mặt trời khác nhau Vì vậy, điều quan trọng là phải biết mảnh đất nào được tiếp xúc nhiều nhất Khi nguồn cung cấp nước trở nên khan hiếm hơn ở những nơi như Đồng Bằng Sông Cửu Long, nông dân có nghĩa vụ phải hạn chế tiêu thụ nước, đồng thời giữ cho cây trồng của họ ngậm nước

Một cách chống mất nước cho cây là tưới cây vào buổi chiều hoặc tối, giúp cây

có thể hấp thụ đúng cách Thay vì làm bằng một cách thủ công như vậy, cảm biến ánh sáng có thể được sử dụng để quản lý hệ thống phun nước tự động, chỉ tưới nước khi mặt trời sắp lặn Khi được kết hợp với các thiết bị theo dõi thời tiết khác để thu thập

dữ liệu về nhiệt độ, áp suất và độ ẩm, một hệ thống không chỉ có thể tưới nước khi mặt trời lặn mà còn dự báo mưa hoặc mây để tối ưu hóa lịch trình tưới nước

b9 Ngoài ra ,một số ứng dụng của LDR như đồng hồ đo ánh sáng máy ảnh, đèn đường, radio đồng hồ, báo động ánh sáng, báo khói và đồng hồ ngoài trời.

c Lợi ích khi sử dụng cảm biến ánh sáng

- Cảm biến là khả năng nhận biết các biến đổi của môi trường để ứng biến kịp thời, cảm biến ánh sáng là các khả năng nhận biết các biến đổi của ánh sáng của môi trường bên ngoài mà cảm ứng có thế nhận biết

- Ứng dụng của thiết bị này là nó thay thế hoàn toàn sức người, không cần phải cài đặt, điều chỉnh thời gian

- Càng ngày cảm biến ánh sáng tắt mở đèn ngày càng quan trọng và thân thiện hơn với người sử dụng Trước đây được sử dụng chủ yếu cho các công trình đèn đường… nhưng hiện nay do nhu cầu sử dụng của hộ gia đình càng nhiều thì sản phẩm càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn trước đây

2.Giới hạn đề tài

- Trong đề tài này em sử dụng cảm biến ánh sáng Photoresistors(LDR) làm đề

tài nghiên cứu Cảm biến ánh sáng quang trở phát hiện cường độ ánh sáng, sử dụng

bộ cảm biến photoresistor loại nhạy cảm, cho tín hiệu ổn định, rõ ràng và chính xác hơn so với quang trở Ngõ ra D0 trên cảm biến được dùng để xác định cường độ sáng của môi trường, khi ở ngoài sáng, ngõ ra D0 là giá trị 0, khi ở trong tối, ngõ ra D0 là 1 Trên cảm biến có 1 biến trở để điều chỉnh cường độ sáng phát hiện, khi vặn cùng chiều kim đồng hồ thì sẽ làm giảm cường độ sáng nhận biết của cảm biến, tức là môi trường phải ít sáng hơn nữa thì cảm biến mới đọc giá trị digital là 1 Thông số kỹ thuật: Điện

áp làm việc: 3.3 ~ 5V DC Output: Digital Có thể điều chỉnh cường độ ánh sáng phát hiện bằng biến trở gắn trên cảm biến có kích thước: 3.2cm x 1.4cm

- Do điều kiện kinh tế em chỉ thiết kế cảm biến ánh sáng hiển thị mức độ sáng thu được trên 3 loại màu của led matrix 8x8 và hiển thị rõ tên người dùng, mức độ sáng cụ thể là thế nào lên lcd sử dụng nguồn pin hoặc điện từ lưới 220V

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ (HOẶC KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI)

1 Giới thiệu tóm tắt

Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả năng thay đổi điện trở theo cường độ ánh sáng chiếu vào Tín hiệu xuất ra của cảm biến là digital HIGH (5V) và LOW tượng trưng cho các trạng thái bật, tắt thiết bị điện tự động mà bạn không cần phải thao tác vào

Hình 6: Cảm biến ánh sáng (LDR)

a Ưu điểm

- Thiết kế nhỏ gọn

- Độ chính xác cao

- Các thành phần phụ như điện trở, tụ điện cần thiết cho mạch đã được gắn đầy

đủ Bạn chỉ cần cấp nguồn, nối dây điều khiển vào rơle là có thể tắt/mở bóng đèn hay các thiết bị điện khác theo cường độ ánh sáng chiếu vào cảm biến

- Bật tắt đèn nhanh và tự động

- Giúp tiết kiệm điện một cách hiệu quả và tiện nghi hơn cho gia đình và công ty

- Có thể dùng cho đèn sân vườn, ban công, sân thượng, vv… mà không cần lo lắng nếu bạn bị quên

- Giá thành thấp, khoảng 50.000 đồng

- Sử dụng điện áp chuẩn 5V

- Giá rẻ và nhiều kích cỡ và hình dạng LDR thực tế có sẵn trong nhiều kích cỡ và kiểu gói, kích thước phổ biến nhất có đường kính mặt khoảng 10 mm

- Năng lượng và điện áp hoạt động của nó rất nhỏ

b.Nhược điểm

- Một vài điểm cần chú ý khi dùng cảm biến ánh sáng đấy là vị trí lắp đặt cảm biến cần đảm bảo được lượng ánh sáng tự nhiên, không để bất cứ ánh đèn xung quanh chiếu vào mắt cảm ứng, tránh tình trạng mở, tắt liên tục

- Rất không chính xác với thời gian phản hồi khoảng hàng chục hoặc hàng trăm mili giây

c.Ví dụ : Cảm biến ánh sáng có thể điều chỉnh được độ nhạy

Trên mạch có 1 biến trở 10K ohm dùng để điều chỉnh độ nhạy sáng:

 Vặn về bên trái (nhìn theo hướng từ dưới lên): bạn sẽ tăng độ nhạy của cảm biến

với ánh sáng: chỉ cần lượng ánh sáng nhỏ thì mạch sẽ tự ngắt

Khối xử lý

Khối hiển thị

Khối cảm biến

Khối nguồn

 Vặn về bên phải: bạn sẽ giảm độ nhạy của cảm biến với ánh sáng, cần lượng ánh sáng với cường độ mạnh hơn để ngắt mạch

2.Khảo sát sơ đồ khối (Sơ đồ tổng quát)

Hình 7: Sơ đồ tổng quát

- Khối nguồn : lấy AC hoặc DC đầu vào từ 5- 15V biến đổi thành nguồn DC 5V cấp cho khối điều khiển trung tâm, khối hiển thị ,khối cảm biến và khối chấp hành

- Khối điều khiển trung tâm : tiếp nhận tín hiệu từ khối cảm biến sau đó xử lý và xuất tín hiệu tới khối hiển thị

- Khối hiển thị : nhận tín hiệu từ khối xử lý, hiển thị mức độ sáng

- Khối cảm biến :Đo giá trị ngưỡng ánh sáng dùng cảm biến ánh sáng LDR

a Khối cảm biến

+ 5 V

L D R

R 2 R

A D C

0

Hình 8 : Sơ đồ khối cảm biến ánh sáng Cảm biến quang (LDR) hay còn gọi điện trở phụ thuộc ánh sáng, quang dẫn, tế bào quang điện Là một thiết bị thay đổi sức kháng khi thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặt của nó Nó nhạy cảm với cả khoảng ánh sáng nhìn thấy lên nó rất thích hợp với ứng dụng đã đề xuất

Hình 9 Cảm biến quang ( quang trở ) Các tính năng cơ bản của bộ cảm biến quang

- Nó được cấu tạo từ chất Cadmium sulphide (CdS)

- Sức đề kháng của LDR giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó tăng

- Các LDR của kháng có thể đạt 10 ohms k trong điều kiện trời tối và khoảng 100 ohms ở độ sáng đầy đủ

- Các mạch được sử dụng cho cảm biến ánh sáng trong hệ thống của chúng tôi sử dụng 10 kΩ điện trở cố định được gắn liền với 5 V Do đó giá trị điện áp trong trường hợp này giảm với sự gia tăng về cường độ ánh sáng

- Các nút cảm biến điện áp được so sánh với điện áp ngưỡng cho các mức độ khác nhau của cường độ ánh sáng tương ứng với bốn điều kiện, tối ưu, mờ, tối và đêm

- Mối quan hệ giữa kháng RL và cường độ ánh sáng Lux cho một điển hình LDR là: RL = 500 / Lux kΩ

- Với các LDR kết nối với 5V thông qua một điện trở 10K, điện áp đầu ra của các LDR là: Vout= 5*(10+RL)/RL (V)

b.Khối hiển thị

b1. Led ma trận(led matrix)

b1.1.Led ma trận(led matrix) là gì?

Led ma trận là ma trận điểm (mỗi điểm là một đèn LED) được xếp thành các hàng, cá cột nối tiếp nhau trên một màn hình lớn, độ phân giải thấp, được sử dụng để làm màn hình công nghiệp hoặc thương mại Bên trong nó là ma trận diode hai chiều

có cực dương sắp theo hàng và cực âm sắp theo cột Có thể điều khiển từng điểm của led ma trận bằng cách điều khiển dòng điện đi qua mỗi cặp diode theo cột hoặc hàng Loại ma trận này rất phổ biến trong sử dụng hiển thị thông tin, nó cho phép hiển thị hình ảnh và văn bản dạng tĩnh hoặc động Bên dưới là hình 1 led ma trận

Hình 10 : Led ma trận (led matrix)

b1.2 Cấu tạo led ma trận (Led matrix)

Hình 11: Cấu tạo led ma trận (led matrix)

- Led Matrix được cấu tạo từ 8 Led đơn ( 8 chân kết nối đến Cột và 8 chân kết nối đến Hàng) => cần 8 chân của vi điều khiển để kết nối đến hàng, 8 chân vi điều khiển kết nối đến cột

- Để 1 Led sáng: cấp điện áp VCC và GND vào 2 chân của Led đó

- Trong 1 thời điểm chỉ điều khiển được 8 Led

b1.3.Các loại led ma trận

Có nhiều loại led sử dụng trong công nghiệp và thương mại, cụ thể một số loại đèn led theo cấu trúc

 Ma trận điểm 8x8

 Ma trận điểm 5x7

 128x16

 128x32

 128x64

Cụ thể trong đề tài này em sử dụng led Ma trận (led matrix) 8x8 (8 hàng và 8 cột) Trong led ma trận này có 64 đèn led Những đèn led này được hàn trên bảng mạch 1 mặt Cực dương của led này được nối với cực dương của led kia thành một hàng, cả 8 hàng đều tương tự như vậy Cực âm của led này được nối với cực âm của led kia thành

8 cột Tất cả các led được nối với nhau bằng dây đồng trần

Trong ma trận điểm các led nối với nhau theo hàng và cột Điều này giúp giảm số lượng chân cần thiết để điều khiển led Giả sử trong ma trận 8x8 có 64 chân I/O để hiển thị mỗi điểm ảnh Để tạo ma trận điểm 8x8 tất cả các cực dương nối với nhau theo hàng từ R1 đến R8, tương tự các cực dương nối với nhau theo cột từ C1 đến C8 Bằng cách này có thể giảm số chân I/O đi 16 cái