Tải bản đầy đủ (.docx) (92 trang)

Hệ thống Nhà thông minh sử dụng arduino

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.84 MB, 92 trang )

Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

1


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

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 10 tháng 11 năm 2015
Sinh viên thực hiện

2




Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

3


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.
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.
4



Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 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.
Các cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến gas, cảm biến áp
suất, cảm biến hồng ngoại…
5


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 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.
6


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
7


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

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 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)
8


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

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
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:
9



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.

10


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015




Chương 1:Tổng quan

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.



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 → 28-1 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.
11


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015




Chương 1:Tổng quan


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 → 2 101) 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 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:

12



Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

 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.
- 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.
13



Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

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, 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().

14


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

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
Nguyên lý hoạt động của module cảm biến pir

 Môi trường hoạt động của cảm biến PIR
1.6.2

17


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

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.
 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
23


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

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.

 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
24


Nghiên cứu Khoa học-SV-2015

Chương 1:Tổng quan

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.
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


×