đề tài thiết kế nhà thông minh dựa trên arduino

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.89 MB, 82 trang )

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 3:Viết chương trình

1

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 3:Viết chương trình

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển AVR và vi điều
khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn , nhưng có thể nói sự xuất hiện của
Arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển. Sự xuất
hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế, nhất là
đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có quá nhiều kiến thức,
hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử . Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều
chức năng cơ bản và là mã nguồn mở. Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô cùng dễ
sử dụng tương thích với ngôn ngữ C và hệ thư viện rất phong phú và được chia sẻ
miễn phí. Chính vì những lý do như vậy nên Arduino hiện đang dần phổ biến và được
phát triển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới.
Trên cơ sở kiến thức đã học trong môn học : Tin học cở sở 2, Điện tử tương tự và điện
tử số … cùng với những hiểu biết về các thiết bị điện tử, chúng em đã quyết định thực
hiện đề tài : Thiết kế ngôi nhà thông minh với mục đích để tìm hiểu thêm về
Arduino, làm quen với các thiết bị điện tử và nâng cao hiểu biết cho bản thân. Do kiến
thức còn hạn hẹp, thêm vào đó đây là lần đầu chúng em thực hiện đồ án nên chắc chắn
không tránh khỏi những thiếu sót , hạn chế vì thế chúng em rất mong có được sự góp ý
và nhắc nhờ từ thầy giáo để có thể hoàn thiện đề tài của mình.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.s Lan Anh đã giúp đỡ chúng em rất
nhiều trong quá trình tìm hiểu ,thiết kế và hoàn thành đề tài đồ án 1 này.

Hồ Chí Minh, ngày tháng 11 năm 2015
Sinh viên thực hiện

2

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 3:Viết chương trình

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
Tp.HCM, ngày

tháng năm 2015

Giáo viên phản biện

4

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về nhà thông minh
Nhà thông minh là ngôi nhà được trang bị các hệ thống tự động thông minh
cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có khả năng tự điều phối các hoạt
động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ.
Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ thống chỉnh thể mà trong
đó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với thiết bị điều khiển
trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng. Các thiết
bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được
điều khiển và giám sát từ xa.
Giải pháp nhà thông minh sẽ biến những món đồ điện tử bình thường trong
ngôi nhà trở nên thông minh và gần gũi với người dùng hơn, chúng được kiểm soát
thông qua các thiết bị truyền thông như điều khiển từ xa, điện thoại di động… ngôi
nhà thông minh đơn giản nhất có thể được hình dung bao gồm một mạng điều khiển
liên kết một số lượng cố định các thiết bị điện, điện tử gia dụng trong ngôi nhà và
chúng được điều khiển thông qua một chiếc điều khiển từ xa. Chỉ với kết nối đơn
giản như trên cũng đủ để hài lòng một số lượng lớn các cá nhân có nhu cầu nhà
thông minh ở mức trung bình.
Vậy liệu nhà thông minh có làm thay đổi các thói quen vốn đã rất gắn bó từ
trước đến nay với hầu hết mọi người?.
Chúng ta đều biết phần lớn căn hộ từ trung bình đến cao cấp đều sử dụng
các loại điều khiển từ xa để điều khiển máy lạnh, ti vi…còn lại phần lớn các thiết bị
khác như hệ thống đèn, bình nước nóng lạnh…phải điều khiển bằng tay. Những

việc như vậy đôi lúc sẽ đem lại sự bất tiện, khi mà chúng ta mong muốn có một sự
tiện nghi và thoải mái hơn, vừa có thể tận hưởng nằm trên giường coi ti vi vừa có
thể kiểm soát được hệ thống các thiết bị trong nhà chỉ với một chiếc smartphone
hay máy tính bảng.
1.1.1
Các thành phần cơ bản trong hệ thống ngôi nhà thông minh
Mô hình mô phỏng ngôi nhà trong thực tế và sự phân bố khá hợp lý các hệ
thống đi kèm.
Việc bố trí rất quan trọng, những thiết bị không sử dụng nên sắp xếp vào
chỗ hợp lý tránh gây bất tiện trong sinh hoạt. Vì vậy, khi thiết kế ngôi nhà thông
minh cần quan tâm đến sự thay đổi mềm dẻo trong cách thức lắp đặt và cấu hình sử
dụng.
 Hệ thống quản lý chiếu sáng

Các thiết bị chiếu sáng như bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn ngủ, trang trí…
được sử dụng rất nhiều. Vì vậy nếu phối hợp chiếu sáng không hợp lý sẽ dẫn tới bị
“ô nhiễm” ánh sáng. Ngoài ra, việc chiếu sáng như vậy còn gây lãng phí điện, giảm
tuổi thọ thiết bị. Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếu sáng là khá lớn, gia chủ
sẽ gặp những bất tiện nhỏ trong việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp.
5

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Hệ thống chiếu sáng sẽ được tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc sẽ
được tách riêng ra để điều khiển độc lập. Các giải pháp đều nhằm tối ưu hóa hệ
thống và giúp gia chủ điều khiển dễ dàng hơn. Các giải pháp kết hợp sẽ được tính
đến để tự động hóa tới mức tối đa.

 Hệ thống kiểm soát vào ra

Khi gia chủ đi vắng, việc kiểm soát các hệ thống vào ra trong ngôi nhà là rất
quan trọng, giúp đề phòng trộm v.v… Ngôi nhà thông minh cung cấp hệ thống
kiểm soát vào ra cho phép chủ nhà quản lý và cấp quyền “đăng nhập” cho các thành
viên trong gia đình và người thân.
Hệ thống cửa ra vào ở các phòng sẽ được lắp đặt các khóa vân tay hoặc
khóa phím v.v… nhằm nhận dạng người trong nhà hoặc khách để cấp quyền “đăng
nhập”. Ngoài ra, còn có thể dùng hệ thống nhận diện khuôn mặt hay giọng nói tùy
vào phòng riêng của mỗi người.
Mỗi khi có sự kiện mới, hệ thống kiểm soát ra vào này cũng sẽ kích hoạt các
hệ thống khác để lưu giữ các thay đổi do người dùng tạo ra.
 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc

Một ngôi nhà bình thường sẽ có từ 4 đến 5 phòng kín, và do vậy sẽ có một
vài vấn đề khó khăn khi giao tiếp từ phòng này sang phòng khác. Một hệ thống
thông tin liên lạc nội bộ có thể giúp giải quyết vấn đề này.
Hệ thống liên lạc nội bộ đơn giản có thể là các điện thoại cố định hoặc điện
thoại mẹ bồng con. Ngoài chức năng liên lạc trong nhà, hệ thống này cần được kết
nối với mạng điện thoại để tiện cho việc giao tiếp và công việc hơn, để làm việc
này cần đến một bộ chuyển kênh.
Hệ thống quan sát sẽ giúp việc kiểm soát an ninh, người vào/ra ngôi nhà…
giúp cho gia chủ nhận diện khách nhanh chóng thông qua camera.
 Hệ thống giải trí đa phương tiện
Ngôi nhà là nơi sinh hoạt của một gia đình có thể gồm nhiều thế hệ và mỗi
thế hệ lại có nhu cầu giải trí khác nhau. Do đó, một hệ thống giải trí đa phương tiện
sẽ cung cấp cho các thành viên những hoạt động giải trí phù hợp…
 Hệ thống quản lý cấp điện, nước, gas

Đối với một ngôi nhà bình thường thì việc cung cấp và đo lường các chỉ số

điện nước đều phải thông qua các cơ quan nhà nước.
Ngôi nhà thông minh cung cấp giải pháp nhằm đo lường và báo lại các
thông số điện, nước thường xuyên, kết hợp với hệ thống quản lý chiếu sáng và hệ
thống kiểm soát vào ra, từ đó tự động bật/tắt các thiết bị trong nhà nhằm tiết kiệm
năng lượng. Ngoài ra, các cảm biến sẽ giúp hạn chế và cảnh báo các nguy cơ khác
như rò rỉ gas, mực nước ở bể chứa thấp, bể đường ống nước, cháy chập điện…
 Hệ thống cảm biến và báo động, báo cháy

Hệ thống các cảm biến là thành phần quan trọng trong bất kì hệ thống nào
của ngôi nhà, các cảm biến có nhiệm vụ gửi các thông số đo được về cho bộ xử lý
trung tâm để có giải pháp phù hợp với từng gói dữ liệu và xử lý từng tình huống
tương ứng.
6

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Các cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến gas, cảm biến
áp suất, cảm biến hồng ngoại…
 Hệ thống điều hòa không khí, kiểm soát môi trường

Thông thường thì một ngôi nhà cần có những không gian xanh, nó không
chỉ giúp các thành viên trong gia đình thư giãn mà còn giúp điều hòa không khí.
Việc xây dựng và duy trì màu xanh trong ngôi nhà là cần thiết, do đó hệ thống điều
hòa không khí và kiểm soát môi trường sẽ giúp ích rất nhiều trong việc chăm sóc
cây như độ ẩm cần thiết, hay là ánh sáng phù hợp…
 Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái

Hệ thống các công tắc và bảng hiển thị sẽ cung cấp thông tin cũng như nhận
lệnh điều khiển từ gia chủ. Đảm bảo sự tương tác hai chiều giữa các thành viên và
hệ thống tự động. Hệ thống bao gồm: các điều khiển từ xa, các công tắc gắn tường,
các bảng điều khiển tương tác HMI, điện thoại thông minh…
 Hệ thống mạng, xử lý trung tâm và sự kết hợp hoạt động
Ngôi nhà thông minh được đánh giá cao và khác hẳn những ngôi nhà bình
thường là do nó được trang bị một hệ thống mạng điều khiển và toàn bộ các thay
đổi và điều khiển tự động trong ngôi nhà được xử lý đồng nhất thông qua hệ thống
mạng và xử lý trung tâm. Nó có vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ liên kết các hệ
thống khác trong ngôi nhà lại với nhau, điều phối của hệ thống chấp hành một cách
nhịp nhàng theo các điều kiện tác động được lập trình từ trước. Chúng ta gọi đó là
các hoạt cảnh – hay là các điều kiện môi trường trong ngôi nhà. Một vài sự kết hợp
tiêu biểu:
•
Hệ thống chiếu sáng với Hệ thống xử lý trung tâm có thể được lập trình theo
thói quen của người sử dụng. Các thiết bị chiếu sáng sẽ hoạt động theo chu trình
thời gian đặt trước.
•
Hệ thống chiếu sáng kết hợp với Hệ thống cảm biến cung cấp khả năng tự
động điều khiển ánh sáng như: đèn tự động tắt khi không có người trong phòng,
một số khu vực tự sáng đèn khi qua 18h…
•
Hệ thống cảnh báo kết hợp với hệ thống chiếu sáng: khi có vấn đề xảy ra như
cháy nổ, phát hiện ăn trộm…các bóng đèn sẽ chớp sáng liên tục, đồng thời sẽ có
tiếng còi báo hiệu.
•
Hệ thống cảm biến kết hợp với hệ thống xử lý trung tâm báo cáo tình trạng
lưu trữ điện trong các UPS, báo cáo mực nước trong bồn chứa…nhằm đảm bảo
nguồn cung cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày.
•

Hệ thống giải trí đa phương tiện kết hợp với hệ thống chiếu sáng nhằm đem
lại những giây phút thư giãn cho thành viên trong gia đình.
1.1.2
Triển khai mô hình ngôi nhà thông minh thực tế
 Mô tả yêu cầu

Đảm bảo đầy đủ các yếu tố cơ bản nhất mô phỏng một ngôi nhà thông minh
thu nhỏ.
Có tính khả thi và thực hiện được trong thời gian ngắn.
Đảm bảo phát triển theo mục tiêu của đề tài đặt ra: điều khiển và quản lý các
thiết bị thông qua mạng internet.
7

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 Mục tiêu thực hiện
Thiết lập mô hình mạng điều khiển từ internet đến board điều khiển trung
tâm, rồi từ đó đi đến các nút mạng khác.

Xây dựng chương trình điều khiển là một web server được tích hợp trên
board, cho phép điều khiển thông qua trình duyệt web. Có thể dùng các thiết bị như
laptop, máy tính bàn, điện thoại thông minh để truy cập.
Thiết kế và thi công một số cảm biến như: cảm biến ánh sáng, cảm biến
nhiệt độ, độ ẩm…và các mạch công suất để điều khiển các thiết bị như đèn chiếu
sáng, quạt…
1.2 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự
chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với
những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số lượng người dùng cực
lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay
cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến.

Hình 1.1: Những thành viên khởi xướng Arduino.
Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các
trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; hoặc
ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để
phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác?
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết
bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của
Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập
trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập
trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất
nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở
hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế
kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như
là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một
trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea
(IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền
với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu
8

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham
quan nơi đã sản sinh ra Arduino
1.3 Giới thiệu về board Arduino Uno

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới
chính là dòng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3).
Bạn sẽ bắt đầu đến với Arduino qua thứ này. Bạn có thể dùng Arduino Nano cũng
được nhưng tôi khuyên bạn nên dùng cái này.

 Một vài thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển

ATmega328 (họ 8bit)

Điện áp hoạt động

5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V – DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
9

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

bootloader
SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

 Vi điều khiển

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,
ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED
nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và
hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác mà bạn đã được xem ở đây.
Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với giá
khoảng 90.000đ. Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túi tiền
không cho phép, bạn có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tương
đương nhưng rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với giá khoảng 45.000đ hoặc
ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng 65.000đ.
Ngoài việc dùng cho board Arduino UNO, bạn có thể sử dụng những IC điều khiển
này cho các mạch tự chế. Vì sao ? Vì bạn chỉ cần board Arduino UNO để lập trình cho
vi điều khiển. Trên thực tế, bạn không cần phải dụng Arduino UNO trên các sản phẩm
của mình, thay vào đó là các mạch tự chế để giảm chi phí như hình dưới đây:

10

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Chế tạo thủ công

Sử dụng mạch in

 Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài
với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn
bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp
nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO.

 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 này phải 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 không được lấy nguồn 5V từ
chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải 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.
 Bộ nhớ
Vi điều 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 số này sẽ được
dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 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 càng cần nhiều bộ nhớ
RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn
phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM 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 giống như dữ liệu trên SRAM.

11

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 Các cổng vào/ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức
điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có
các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định
thì các điện trở này không được kết nối).
 Một số chân digital 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 na chính là kết nối Serial không dây.
Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không 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 → 2 8-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V

đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V 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 liệu bằng giao thức SPI với
các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi
chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
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 để 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 từ 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 tiếp I2C/TWI
với các thiết bị khác
.
1.4 Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng. Ngôn ngữ này
dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói. Và Wiring lại là một biến thể
12

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++. Riêng
tôi thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy.
Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu.
Nếu học tốt chương trình Tin học 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 phát triển dự
án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là
Arduino IDE (Intergrated Development Environment)
1.5 Cảm biến nhiệt độ LM35
 Giới thiệu về cảm biến LM35

LM35 là cảm biến dùng để đo nhiệt độ tính theo °C. Có 2 loại thường gặp: loại đóng
gói theo kiểu IC và kiểu plastis:

 Tính năng của LM35:
•

LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog
Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35.
→ Đơn vị nhiệt độ: °C.
→ Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C

Sơ đồ chân của LM35
•

LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử dụng.
13

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

- Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới
+150°C

- LM35 có hiệu năng cao, dòng qua khoảng 60µA.
- Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại
chân Vout (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ.
- Với LM35, bạn có thể tự tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 và
tự động ngắt điện khi nhiệt độ vượt ngưỡng tối đa, đóng điện khi nhiệt độ thấp hơn
ngưỡng tối thiểu thông qua module rơ le...
LM35 thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác.
• Phù hợp với các ứng dụng điều khiển từ xa.
• Khả năng tự tản nhiệt thấp, khoảng 0.08°C trong điều kiện không khí là tĩnh.
• Trở kháng ngõ ra thấp 0.1Ω với tải 1mA…
•

 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ họ LM35:

Mã sản phẩm

Dải nhiệt độ

Độ chính xác

Đầu ra

LM35A

-55°C đến +150°C

+1.0°C

10mV/°C

LM35

-55°C đến +150°C

+1.5°C

10mV/°C

LM35CA

-40°C đến +110°C

+1.0°C

10mV/°C

LM35C

-40°C đến +110°C

+1.5°C

10mV/°C

LM35D

0°C đến +100°C

+2°C

10mV/°C

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra
của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Vì vậy nó có lợi thế hơn các
cảm biến tuyến tính hiệu chỉnh theo độ Kelvin (°K). LM35 không cần thiết phải hiệu
chỉnh hay tinh chỉnh bên ngoài vì nó được cung cấp phạm vi chính xác tiêu biểu là
±1/4°C tại nhiệt độ phòng và ±3/4°C ở nhiệt độ từ -55 tới +150°C. Trở kháng ngõ ra
thấp, tuyến tính và hiểu chỉnh chính xác làm cho việc đọc ngõ ra và kiểm xoát mạch
điện trở nên dễ dàng. LM35 có thể sử dụng nguồn đơn hoặc nguồn đôi và rút dòng
khoảng 60µA.
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng dụng trong
các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực. Vì nó hoạt động khá chính xác với sai số nhỏ,
14

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của nó. Vì
đây là cảm biến tương tự (analog sensor) nên ta có thể dễ dàng đọc được giá trị của nó
bằng hàm analogRead().

Lắp mạch

15

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

1.6 Tổng quan về cảm biến chuyển động PIR
1.6.1
PIR là gì?

PIR là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ
động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia
nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân
nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt,
hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia
nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể
nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt
tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt,
đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật...
 Cấu tạo PIR

16

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Trên đây là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, một
chân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có thể từ 3 đến
15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính Fresnel, nó được thiết
kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại.
.

Hình vẽ cho thấy cách dùng đầu dò PIR để phát hiện người hay con vật di chuyển
ngang
1.6.2
Nguyên lý hoạt động của module cảm biến pir
 Môi trường hoạt động của cảm biến PIR

Cảm biến PIR chỉ hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -30 độ C đến 70 độ C. Có nghĩa
là cảm biến chỉ làm việc được trong khoảng nhiệt độ trên, các tia nhiệt phát ra từ các
vật thể phải nằm trong khoảng nhiệt đọ trên.
17

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 Nguyên tắc hoạt động của module cảm biến PIR.

Chúng ta sẽ xem hoạt động của mạch qua các hình mô tả dưới đây: Với hình bóng
đèn là tín hiệu output của module PIR, đèn tắt là mức 0, đèn sáng là mức 1, hình cảm
biến PIR với 2 bảng pyroelectric lúc đầu sẽ là màu lợt khi chưa có vật di chuyển vào
vùng phát hiện tín hiệu là 1 đường thẳng (Hình 15). Tiếp đến vật thể di chuyển vào
vùng ảnh hưởng 1 tín hiệu bắt đầu xuất hiện, hình cảm biến PIR bảng pyroelectric 1
đậm lên nhưng ngõ ra của PIR là hình bóng đèn vẫn tắt (Hình 16). Khi vật thể đi vào
vùng ảnh hưởng thứ 2 thì tín hiệu hình cảm biến PIR của bảng pyroelectric 1 sẽ lợt
đi, bảng 2 đậm lên tín hiệu xuất hiện ở bảng 2, hình bóng đèn sáng lên, tín hiệu
output của module PIR lúc này là 1 (Hình 17). Khi vật thể đi qua khỏi vùng ảnh
hưởng 2 thì tín hiệu đã trở về 0 nhưng đèn vẫn còn sáng vì lúc này mạch delay vẫn
duy trùy tín hiệu ngõ ra của module PIR ở mức 1 (Hình 18). Đến một thời gian cài
đặt trước nhất định nào đó thì đèn sẽ tắt, tín hiệu sẽ trở về 0, mạch ở trạng thái

thường trực (Hình 19).

Hình 15

18

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Hình 16

Hình 17

19

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Hình 18

Hình 19

20

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

Các thông số cơ bản của module cảm biến PIR Dưới đậy là thông số kỹ thuật của nhà
sản xuất cung cấp cho module cảm biến PIR. Độ rộng vùng quét của cảm biến PIR
(Hình 20)

Kết nối PIR với Arduino

Ta cấp nguồn cho PIR là 5V, Cực âm ta nối GND, Tín hiệu vào là chân số 2. Tín hiệu ra led chọn
chân 13

21

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

1.7 Cảm biến siêu âm SRF05
1.7.1
Giới thiệu cảm biến siêu âm SRF05

SRF05 là bản nâng cấp của SRF04, được thiết kế để tăng độ chính xác, phạm vi hoạt
động và giảm giá thành. Như vậy, việc sử dụng SRF05 hoàn toàn tương tự SRF04
ngoài những cải tiến trên. Phạm vi hoạt động được tăng từ 3m lên 4m.
+ SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết
kiệm giá trị trên chân điều khiển. Khi chân chế độ không kết ối, thì SRF05 hoạt động
riêng biệt chân kích hoạt vầ chân hồi tiếp, như SRF04. SRF05 bao gồm một thời gian
trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều

khiên thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh.
Các chế độ của SRF05
 Chế độ 1: tương ứng SRF04- tách biệt và phản hồi
1.7.2

Chế độ này sử dụng riêng biệt hai chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế đơn giản
nhất để sử dụng. Tất cả các chương trình ddiern hình cho SRF04 sẽ làm việc SRF05 ở
chế độ này. Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết nối- SRF05 có một
nội dừng trên chân này.

22

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 Chế độ 2- Dùng một chân cho cả kích hoạt va phản hồi

Mode này sử dụng một chân duy nhất cho cả hai tín hiệu trigger và echo, được thiết kế
để tiết kiệm chân sử dụng cho các bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ này, ta kết
nối chân Mode với mass. Khi đó sau khi gửi tín hiệu trigger, thì tín hiệu echo sẽ xuất
hiện trên chân trigger trả về bộ điều khiển. SRF05 sẽ không lập tức phản hồi tín hiệu
echo ngay sau khi nhận được tín hiệu trigger mà sau thời gian 700uS kể từ kết thúc tín
hiệu trigger mới gửi tín hiệu echo. Trong thời gian đó có thể kích hoạt lại chân sử
dụng từ output sang input để nhận tín hiệu phản hồi.

23

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 Tính toán khoảng cách:

Theo sơ đồ thời gian của SRF05 như trên, ta chỉ cần cung cấp một xung ngắn tối thiểu
10uS làm tín hiệu trigger. Sau đó cảm biến sẽ gửi một khối 8 chu kỳ sóng siêu âm tại
40kHz và xuất xung echo. Sau đó SRF05 đợi sóng siêu âm phản hồi sau khi gặp vật
cản, khi nhận được sóng phản hồi thì xung echo bị ngắt. Như vậy, xung echo có chiều
rộng tỉ lệ thuận với khoảng cách tới vật cản. Thời gian xung echo tồn tại có thể cho ta
biết được khoảng cách giữa cảm biến với vật. Nếu trường hợp không phát hiện được
vật cản, hoặc vật cản ngoài tầm xác định của SRF05 (4m) thì sau 30ms xung echo
cũng được đưa về mức thấp.

24

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

SRF05 có thể được kích hoạt nhanh nhất mỗi 50ms (20 lần mỗi giây). Nên chờ mỗi

50ms rồi thực hiện lần đo tiếp theo. Điều này đảm bảo cho các nhiễu siêu âm phản xạ
của lần đo trước không gây sai lệch kết quả thu được.
Công thức tính khoảng cách từ cảm biến tới vật cản:
D= t/58 (cm)
D=t/148(inch)
+ thay đổi chùm tia và đô rộng chùm

Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích
mặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tỉa của cảm biến được sử dụng trên SRF05
được biểu diễn bên dưới:

25

đề tài thiết kế nhà thông minh dựa trên arduino

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về