THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ
DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP

Họ và tên sinh viên: PHAN HIỀN THẢO
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Niên khóa: 2011 – 2015

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm 2015


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG
TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP

TÁC GIẢ

PHAN HIỀN THẢO

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành
Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S Trần Thị Kim Ngà

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm 2015

1


LỜI CẢM ƠN
Trước hết con xin chân thành cảm ơn công lao sinh thành, dạy bảo và những gì
tốt đẹp mà ba mẹ dành cho con để con có được như ngày hôm nay.
Và em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm
Thành phố Hồ Chí Minh, quý thầy cô Trường Đại học Nông Lâm nói chung, thầy cô
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ nói riêng, đặc biệt là thầy cô Bộ Môn Cơ điện tử đã tận
tình truyền đạt cho em những kiến thức quý giá trong suốt thời gian học tại trường.
Em xin cảm ơn cô Trần Thị Kim Ngà, cô luôn tận tình quan tâm, hướng dẫn và
giúp đỡ em trong quá trình học tập và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành
luân văn tốt nghiệp.
Đồng thời xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp DH11CD và các bạn bè đã tận tình
giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, cũng như hoàn thành đề tài tốt nghiệp.
Chân thành cảm ơn mọi người.
Tp HCM, ngày … tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Phan Hiền Thảo

2


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG
DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP” được thực hiện tại
Trường Đại học Nông Lâm từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2015.
Đề tài thực hiện việc tìm hiểu, nghiên cứu và tham khảo các tài liệu về cấu tạo,
nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến, một số IC, động cơ dc… Các board

mạch được thiết kế bằng phần mềm Orcad 9.2 và thực hiện thủ công, kết hợp với việc
sử dụng board mạch vi xử lý Arduino và module mạch cầu H L298. Việc lập trình dựa
trên môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE chạy trên máy tính cá nhân cho phép
viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Sau khi nghiên cứu và thực hiện đề tài, em đã hoàn thành bài báo cáo, chế tạo
được các board mạch điều khiển, board cảm biến với các ứng dụng như: điều khiển
đèn led bật/tắt theo ánh sáng, kích loa báo khi khí gas rò rỉ ở mức nguy hiểm, đo chiều
cao sản phẩm, đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc.
Nội dung của bài báo cáo gồm các phần chính như sau:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan
Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Hy vọng đề tài này là tư liệu tham khảo cho môn kỹ thuật đo lường cảm biến.
Do thời gian hạn chế nên đề tài có nhiều thiếu sót, em mong nhận được sự đóng góp ý
kiến của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của em có thể hoàn thiện hơn.

3


MỤC LỤC
TRANG TỰA.....................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................... ii
TÓM TẮT........................................................................................................................ iii
MỤC LỤC........................................................................................................................ iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................................................viii
DANH MỤC HÌNH.........................................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................................xii
Chương 1: MỞ ĐẦU.........................................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề............................................................................................................... 1
1.2. Mục đích của đề tài.................................................................................................2
1.2.1. Mục tiêu chung................................................................................................2
1.2.2. Mục tiêu cụ thể................................................................................................2
Chương 2: TỔNG QUAN.................................................................................................3
2.1. Khái quát cảm biến.................................................................................................3
2.1.1. Giới thiệu cảm biến..........................................................................................3
2.1.2. Phân loại cảm biến...........................................................................................3
2.1.2.1. Cảm biến tích cực hay thụ động...............................................................3
2.1.2.2. Cảm biến tương tự và số..........................................................................4
2.1.2.3. Cảm biến phân loại theo tín hiệu kích thích.............................................4
2.1.3. Ứng dụng của cảm biến...................................................................................4
2.2. Quang trở................................................................................................................ 5
2.2.1. Giới thiệu.........................................................................................................5
2.2.2. Thông số kỹ thuật............................................................................................6
2.2.3. Nguyên lý hoạt động........................................................................................7
2.3. Cảm biến nhiệt ẩm DHT11.....................................................................................7
2.3.1. Thông số kỹ thuật............................................................................................7
2.3.2. Nguyên lý hoạt động........................................................................................8
2.4. Cảm biến gas MQ – 2.............................................................................................9
4


2.4.1. Giới thiệu.........................................................................................................9
2.4.2. Thông số kỹ thuật..........................................................................................10
2.4.3. Nguyên lý hoạt động......................................................................................11
2.5. Cảm biến hồng ngoại............................................................................................11
2.5.1. Giới thiệu.......................................................................................................11
2.5.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................12
2.6. Cảm biến màu TCS3200.......................................................................................13

2.6.1. Giới thiệu.......................................................................................................13
2.6.2. Thông số kỹ thuật..........................................................................................13
2.6.3. Nguyên lý hoạt động......................................................................................14
2.7. Cảm biến siêu âm SRF05....................................................................................15
2.7.1. Giới thiệu.......................................................................................................15
2.7.2. Thông số kỹ thuật..........................................................................................16
2.7.3. Nguyên lý hoạt động......................................................................................18
2.7.3.1. Chế độ 1: Tách biệt kích hoạt và phản hồi.............................................18
2.7.3.2. Chế độ 2: Dùng một chân cho kích hoạt và phản hồi.............................19
2.7.4. Ứng dụng.......................................................................................................20
2.8. Board mạch Arduino Mega 2560..........................................................................21
2.8.1. Giới thiệu.......................................................................................................21
2.8.2. Thông số kỹ thuật..........................................................................................22
2.9. Động cơ DC.........................................................................................................23
2.9.1. Cấu tạo...........................................................................................................23
2.9.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................24
2.9.3. Phương pháp điều khiển................................................................................24
2.10. Mạch cầu H L298...............................................................................................24
2.10.1. Giới thiệu.....................................................................................................24
2.10.2. Nguyên lý hoạt động....................................................................................25
Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................26
3.1. Nội dung thực hiện...............................................................................................26
3.2. Phương pháp nghiên cứu và thực hiện..................................................................26
3.2.1. Phần cơ khí....................................................................................................26
5


3.2.2. Phần điện tử...................................................................................................27
3.2.3. Phần điều khiển..............................................................................................27
3.3. Phương tiện thực hiện...........................................................................................27

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................................29
4.1. Sơ đồ khối...........................................................................................................29
4.2. Phần mô hình.......................................................................................................30
4.2.1. Sơ đồ cấu tạo.................................................................................................30
4.2.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................31
4.2.3. Mô hình chế tạo.............................................................................................32
4.3. Thiết kế phần mạch điều khiển.............................................................................32
4.3.1. Khối nguồn....................................................................................................32
4.3.2. Khối cảm biến................................................................................................33
4.3.2.1. Cảm biến quang trở................................................................................33
4.3.2.2. Cảm biến nhiệt ẩm DHT11....................................................................34
4.3.2.3. Cảm biến gas MQ – 2............................................................................35
4.3.2.4. Cảm biến hồng ngoại.............................................................................36
4.3.2.5. Cảm biến màu TCS3200........................................................................37
4.3.2.6. Cảm biến siêu âm SRF05.......................................................................37
4.3.3. Khối công tắc hành trình................................................................................38
4.3.4. Khối công suất...............................................................................................39
4.3.5. Khối nút nhấn................................................................................................40
4.3.6. Khối hiển thị..................................................................................................41
4.3.6.1. Khối hiển thị led đơn.............................................................................41
4.3.6.2. Khối hiển thị led 7 đoạn.........................................................................42
4.3.7. Khối điều khiển..............................................................................................43
4.4. Thiết kế phần mềm...............................................................................................44
4.4.1. Lưu đồ giải thuật chung.................................................................................45
4.4.2. Lưu đồ đo chiều cao sản phẩm.......................................................................46
4.4.3. Lưu đồ giải thuật đếm và phân loại sản phẩm................................................46
4.4.4. Lưu đồ giải thuật nút nhấn và hiển thị...........................................................48
4.5. Khảo nghiệm........................................................................................................49
6

4.5.1. Đánh giá độ chính xác và ổn định từ kết quả thí nghiệm...............................49
4.5.1.1. Đo nhiệt độ và độ ẩm.............................................................................49
4.5.1.2. Đo chiều cao sản phẩm..........................................................................50
4.5.2. Đánh giá độ chính xác và ổn định của phần điều khiển.................................51
4.5.2.1. Đếm và phân loại sản phẩm...................................................................51
4.5.2.2. Khảo nghiệm cảm biến gas....................................................................51
4.5.2.3. Đo giá trị của quang trở.........................................................................52
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................53
5.1. Kết luận................................................................................................................53
5.2. Kiến nghị..............................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................54
PHỤ LỤC........................................................................................................................ 55

7


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AC............................Alternating Current.
DC............................Direct Curent.
IC..............................Intergarated Circuit.
ICSP..........................In – Circuit Serial Programming.
IDE...........................Intergrated Development Environment.
LDR..........................Light Dependent Resistor.
LED..........................Light Emitting Diode.
LPG..........................Liquefied Petroleum Gas.
MCU.........................Micro Controler Unit.
PPM..........................Parts Per Million.
PWM........................Pulse Width Modulation.
TTL...........................Transistor – Transistor Logic.

UART.......................Universal Asynchronous Reveiver and Transmitter.
USB..........................Universal Serial Bus.
V.O.M.......................Volt – Ohm – Meter.

8


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của cảm biến phức hợp.......................................................
3
Hình 2.2: Cấu tạo quang trở..........................................................................................
5
Hình 2.3: Sự phụ thuộc của quang trở vào độ rọi sáng................................................
6
Hình 2.4: Cảm biến nhiệt ẩm DHT11............................................................................
7
Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến gas MQ – 2........................................................................
9
Hình 2.6: Mạch nguyên lý module cảm biến gas MQ – 2.............................................
10
Hình 2.7: Led hồng ngoại...............................................................................................
11
Hình 2.8: Các hình thức thu/phát của cảm biến hồng ngoại........................................
12
Hình 2.9: Modul cảm biến màu TCS3200.....................................................................
13
Hình 2.10: Sơ đồ chân của cảm biến màu TCS3200.....................................................
14
Hình 2.11: Sơ đồ khối chức năng cảm biến màu TCS3200...........................................
14

Hình 2.12: Cảm biến siêu âm SRF05.............................................................................
16
9


Hình 2.13: Độ rộng chùm tia siêu âm............................................................................
16
Hình 2.14: Mức độ sóng âm hồi tiếp..............................................................................
17
Hình 2.15: Vùng phát hiện cảm biến siêu âm................................................................
17
Hình 2.16: Kỹ thuật làm giảm điểm mù.........................................................................
17
Hình 2.17: Nguyên lý phản xạ sóng siêu âm.................................................................
18
Hình 2.18: Chế độ 1 của cảm biến siêu âm SRF05.......................................................
18
Hình 2.19: Giản đồ định thời SRF05 tách biệt kích hoạt và phản hồi..........................
19
Hình 2.20: Chế độ 2 của cảm biến siêu âm SRF05.......................................................
19
Hình 2.21: Giản đồ định thời SRF05 nối chung kích hoạt và phản hồi.......................
20
Hình 2.22: Nguyên tắc Time Of Flight..........................................................................
20
Hình 2.23: Arduino Mega 2560......................................................................................
21
Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động cơ DC đơn giản...........................................
23
Hình 2.25: Module mạch cầu H L298............................................................................

25
10


Hình 4.1: Sơ đồ khối.......................................................................................................
29
Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo..................................................................................................
30
Hình 4.3: Mô hình chế tạo.............................................................................................
32
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn.........................................................................
33
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch bật/tắt led...................................................................
34
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt – ẩm.............................................................
35
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch báo khí gas rò rỉ........................................................
35
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hồng ngoại.................................................
36
Hình 4.9: Mạch cảm biến màu TCS3200 nối với vi điều khiển.....................................
37
Hình 4.10: Mạch cảm biến siêu âm SRF05 nối với vi điều khiển.................................
38
Hình 4.11: Mạch cách ly tín hiệu công tắc hành trình..................................................
39
Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ dc bằng L298.....................................
40
Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn..................................................................
41

11


Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển led đơn...................................................
41
Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị led 7 đoạn.....................................................
42
Hình 4.16: Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển........................................................
43
Hình 4.17: Lưu đồ giải thuật chung..............................................................................
45
Hình 4.18: Lưu đồ đo chiều cao sản phẩm....................................................................
46
Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật đếm và phân loại sản phẩm............................................
47
Hình 4.20: Lưu đồ giải thuật hiển thị led đơn và led 7 đoạn.........................................
48

12


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Phạm vi phát hiện của cảm biến MQ – 2 đối với một số chất khí................
11
Bảng 2.2: Bảng lựa chọn bộ lọc màu.............................................................................
15
Bảng 2.3: Bảng lựa chọn tần số đầu ra của cảm biến màu TCS3200..........................
15
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của board Arduino Mega 2560........................................
22

Bảng 2.5: Các cổng nối tiếp của board Arduino Mega 2560.........................................
22
Bảng 2.6: Các chân ngắt ngoài của board Arduino Mega 2560...................................
23
Bảng 4.1: Kết quả đo nhiệt độ........................................................................................
49
Bảng 4.2: Kết quả đo độ ẩm............................................................................................
50
Bảng 4.3: Kết quả đo chiều cao sản phẩm.....................................................................
50
Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm đếm và phân loại sản phẩm...........................................
51
Bảng 4.5: Kết quả khoảng cách phát hiện khí gas rò rỉ................................................
52
Bảng 4.6: Kết quả đo giá trị quang trở

52
13


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề
Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật, con người không chỉ dựa

vào các cơ quan xúc giác của cơ thể để khám phát thế giới mà còn sử dụng các dụng
cụ đo lường và phân tích mà ta gọi là cảm biến. Từ lâu cảm biến được sử dụng như
những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúng

mới thể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người. Nhờ những
thành tựu mới của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thết bị điện tử và tin
học, các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng mở
rộng phạm vi ứng dụng. Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng
cảm biến, chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, robot, kiểm tra chất
lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng… Cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh
vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, điện thoại thông
minh, ngôi nhà thông minh, các trò chơi điện tử,…
Thật vậy, trong các hệ thống điều khiển tự động, các dây chuyền sản xuất trong
công nghiệp, các máy móc thiết bị,… cảm biến là một bộ phận không thể thiếu, chúng
là những thiết bị cung cấp thông tin của quá trình hoạt động cho bộ điều khiển để bộ
điều khiển đưa ra những lệnh điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá
trình hoạt động. Vì vậy, việc tìm hiểu, nghiên cứu các loại cảm biến là điều mà sinh
viên khối ngành kỹ thuật, mà đặc biệt là chuyên ngành Cơ điện tử là hết sức quan
trọng. Xuất phát từ yêu cầu trên, em đã thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC
TẬP” nhằm đáp ứng nhu cầu học tập của bản thân. Đồng thời, đề tài có thể làm tài liệu
tham khảo cho các sinh viên khóa sau.

1


1.2. Mục đích của đề tài
1.2.1. Mục tiêu chung
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo board cảm biến và ứng dụng sử dụng trong giảng
dạy và học tập.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể
Nghiên cứu, sưu tầm, tổng hợp, tóm tắt lý thuyết về các cảm biến thông dụng.
Lựa chọn các cảm biến phù hợp với các yêu cầu của mô hình, tìm hiểu một số cảm
biến như: quang trở, cảm biến gas – MQ2, cảm biến nhiệt ẩm DHT11, cảm biến hồng

ngoại, cảm biến màu TCS3200, cảm biến siêu âm SRF05.
Thiết kế mô hình đáp ứng mục tiêu cụ thể sau: đo nhiệt độ, độ ẩm, phát hiện khí
gas rò rỉ và báo nguy hiểm qua loa, sử dụng quang trở để bật/tắt đèn led, đo chiều cao
vật, đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc.
Tiến hành chế tạo mô hình và chỉnh sửa mô hình. Khảo nghiệm các chức năng
của mô hình, lấy số liệu và đánh giá tính ổn định và chính xác của mô hình.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1.

Khái quát cảm biến

2.1.1. Giới thiệu cảm biến
Cảm biến là bộ phận có chức năng thu nhận sự kích thích của đại lượng cần đo
(thường là đại lượng không điện) chuyển đổi thành tín hiệu điện (dòng điện hay điện
áp) tương ứng.
Cảm biến
e1
Kích thích
(cần đo)

Chuyển đổi

e2

Phần tử cảm

biến

Đại lượng
điện

e1, e2 là các dạng năng lượng khác nhau
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của cảm biến phức hợp
Tín hiệu điện xuất ra từ cảm biến không những mang thông tin về sự hiện diện
của đại lượng cần đo mà còn cho biết độ lớn tương ứng.
2.1.2. Phân loại cảm biến
2.1.2.1. Cảm biến tích cực hay thụ động
Cảm biến tích cực: là cảm biến dựa vào hiệu ứng, hiện tượng tự nhiên chuyển
đổi trực tiếp đại lượng không điện thành đại lượng điện mà không cần nguồn năng
lượng bên ngoài cung cấp, có nguồn đầu ra là nguồn áp hay nguồn dòng.
Cảm biến thụ động: là cảm biến cũng dựa vào hiệu ứng, hiện tượng tự nhiên
nhưng chuyển đổi đại lượng điện thành các đại lượng thụ động điện, đó là: điện trở,
3


điện dung, điện cảm. Cảm biến loại này cần được cung cấp nguồn điện bên ngoài,
được đặc trưng bằng các thông số R, L, C… tuyến tính hay phi tuyến.
2.1.2.2.

Cảm biến tương tự và số

Cảm biến tương tự là loại có tín hiệu điện ngõ ra liên tục theo thời gian. Đa số
các cảm biến điều thuộc dạng tương tự do các đại lượng không điện trong tự nhiên là
dạng tương tự.
Cảm biến dạng số là cảm biến có tín hiệu ngõ ra dạng số, xung nhị phân hay
dạng các bước. Ví dụ: Encoder, cảm biến tiệm cận, các công tắc quang.

2.1.2.3.

Cảm biến phân loại theo tín hiệu kích thích

 Cảm biến quang điện.
 Cảm biến nhiệt điện.
 Cảm biến vị trí, khoảng cách.
 Cảm biến vận tốc, gia tốc.
 Cảm biến đo lường, thể tích chất lỏng.
 Cảm biến điện hóa.
 Cảm biến từ.
 Cảm biến lực.
2.1.3. Ứng dụng của cảm biến
Ứng dụng của cảm biến vô cùng đa dạng và phong phú trong các hoạt động sản
xuất và đời sống. Sau đây là một số ứng dụng cơ bản của cảm biến:


Quân sự: sử dụng công nghệ quang điện tử vào các thiết bị ngắm bắn, ứng

dụng cảm biến trong việc phát hiện bom mìn (ống dò tìm bom mìn bằng phương pháp
đo từ tính của vật nhiễm từ, tìm xử lý bằng tia laser, dò bằng sóng siêu âm...), các thiết

4


bị định vị, thiết bị phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt
nhân.


Môi trường: Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, côn trùng và các loài

động vật khác; theo dõi các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các
hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt; phát hiện được
mức độ ô nhiễm môi trường.


Trong y tế: sử dụng cảm biến trong việc khám sức khỏe, theo dõi tình trạng

bệnh nhân, máy theo dõi huyết áp, hô hấp…


Dân dụng: ứng dụng cảm biến trong ngôi nhà thông minh, các hệ thống báo

trộm, báo nguy hiểm trong nhà khi có điện chập hay khí gas rò rỉ…


Công nghiệp: giúp việc quản lý khối lượng, số lượng, bảo quản và lưu giữ

hàng hóa dễ dàng hơn. Đo nhiệt độ và độ ẩm, điều khiển các thiết bị, các robot công
nghiệp, thiết bị tự động hóa…


Nông nghiệp: cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng giúp người nông

dân có thể giám sát, chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp.
2.2. Quang trở
2.2.1. Giới thiệu
Quang trở còn gọi là điện trở tùy thuộc ánh sáng LDR có trị số điện trở thay đổi
theo độ sáng chiếu vào quang trở.

1 – Vật liệu quang trở; 2 – Chất nền; 3 – Vỏ nhựa; 4 – Chân cắm.
Hình 2.2: Cấu tạo quang trở
5


Quang trở có cấu tạo như hình 2.2, gồm chất nền (2) là chất bán dẫn, các chất
cảm nhận quang trở (1) là PbS, PbSe, InSb… trong đó phổ biến nhất là Cadmium
Sulfide (CdS) có độ nhạy phổ gần như mắt người nên được sử dụng rộng rãi. Chất
silicium nhạy nhất đối với tia hồng ngoại, chất germanium nhạy nhất ở khoảng ánh
sáng có tần số thấp hơn tia hồng ngoại, chất selenium nhạy nhất đối với ánh sáng thấy
được và tia tử ngoại. Vỏ bọc (3) của quang trở được làm bằng gốm, và có hai chân
cắm (4) dùng để lắp vào các mạch điện.
2.2.2. Thông số kỹ thuật
Điện trở của quang trở phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhạy nhiệt của tế bào quang
dẫn càng nhỏ khi độ rọi sáng càng lớn. Giá trị của điện trở sẽ bị giảm ở những điều
kiện làm việc giới hạn khi độ rọi sáng và điện áp đặt vào quá lớn. Người ta đã rút ra
kết luận rằng hiệu ứng già hóa này tương đối rõ ràng ở những vật liệu có hệ số nhiệt
cao.

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của quang trở vào độ rọi sáng
Quang trở có trị số điện trở thay đổi không tuyến tính theo độ sáng chiếu vào nó
(hình 2.3). Ở vùng tối của quang trở có trị số lớn khoảng 10 4Ω đến 109Ω (ở 25oC). Khi
được chiếu sáng mạnh, quang trở có trị số rất nhỏ khoảng 10Ω đến 1kΩ (ở 25 oC).

6


2.2.3. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của quang trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông
lượng bức xạ và phổ bức xạ đó.

Quang trở có độ nhạy cao, cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng
quang dẫn do hiệu ứng quang điện trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện
trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.
2.3.

Cảm biến nhiệt ẩm DHT11
DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Nó ra đời sau và được sử dụng thay thế

cho dòng SHT1x ở những nơi không cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm.
2.3.1. Thông số kỹ thuật

1 – Chân Vcc; 2 – Chân Data; 3 – Chân NC; 4 – Chân Gnd.
Hình 2.4: Cảm biến nhiệt ẩm DHT11


Nguồn cấp từ 3 – 5V DC vào chân Vcc (1).



Tín hiệu ngõ ra kỹ thuật số ở chân data (2).



Khoảng đo: nhiệt độ (0 – 50 oC), độ ẩm (20% - 90%).



Sai số: nhiệt độ (2 oC), độ ẩm (5%).



Độ nhạy: nhiệt độ (0,1oC), độ ẩm (1%).
7


2.3.2. Nguyên lý hoạt động
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2
bước: Gửi tín hiệu muốn đo tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại. Khi đã giao tiếp
được với DHT11, cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ, độ ẩm đo được.
 Bước 1: Gửi tín hiệu giao tiếp với DHT11
MCU thiết lập chân Data là Output, kéo chân Data xuống 0 trong khoảng thời
gian > 18ms. Khi đó DHT11 sẽ hiểu là MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm.
MCU đưa chân Data lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào.
Sau khoảng 20 – 40 us, DHT11 sẽ kéo chân Data xuống thấp. Nếu > 40 us mà
chân Data không được kéo xuống thấp, nghĩa là không giao tiếp được với DHT11.
Chân Data sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo lên cao trong 80us.
Bằng việc giám sát chân Data, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11
không. Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao thì vi điều khiển đã giao tiếp với cảm
biến DHT11.
 Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11
DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte. Trong đó:


Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm.



Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm.



Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ.



Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ.



Byte 5: kiểm tra tổng.

Nếu byte 5 = (8 bit)(Byte1 + Byte 2 + Byte3 + Byte 4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt
độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa.
8


Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về vi
xử lý, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của nhiệt độ và độ ẩm. Sau khi tín hiệu
được đưa về 0, ta đợi chân data của vi điều khiển lên 1. Nếu chân data là 1 trong
khoảng 26 – 28 us thì là 0, còn nếu còn đến 70 us là 1. Trong lập trình, nên dừng 50 us
sẽ giúp cảm biến đọc chính xác các giá trị tại chân data.
2.4. Cảm biến gas MQ – 2
2.4.1. Giới thiệu
Nguyên nhân của các vụ nổ khí gas hầu hết xuất phát từ hiện tượng rò rỉ gas do
vỏ bình gas thủng, van bình gas bị hở, dây dẫn gas bị hở do cũ nát,… khí gas rò rỉ nếu
gặp nguồn lửa, nhiệt cao sẽ dẫn đến cháy nổ. Thấy được hậu quả nghiêm trọng của
những sự cố cháy nổ gas, cảm biến gas ra đời và góp phần rất lớn vào việc bảo đảm
phần nào sự an toàn khi sử dụng gas. Cảm biến MQ – 2 là một trong những cảm biến
khí được sử dụng nhiều trong các thiết bị phát hiện rò rỉ gas trong dân dụng và công
nghiệp.

1 – Lớp cảm biến gas; 2 – Điện cực; 3 – Đường điện cực; 4 – Cuộn nóng; 5 - Ống
gốm; 6 – Màng chống nhiễu; 7 – Vòng kẹp; 8 – Lớp nhựa; 9 – Chân cắm.
Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến gas MQ – 2
Cảm biến gas được cấu tạo như hình 2.5, trong đó mỗi bộ phận có được làm
bằng những vật liệu khác nhau, cụ thể là: lớp cảm biến gas (1) được làm từ chất bán
dẫn SnO2, chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí, nhưng khi môi trường có chất
gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi nhanh, điện cực (2) được làm bằng vật liệu Au,
đường điện cực (3) là chất Pt, cuộn nóng (4) được làm bằng hợp kim Ni – Cr, ống gốm
9


(5) là chất Al2O3, màng chống nhiễu (6) được làm bằng thép không rỉ, vòng kẹp (7) và
các chân cắm (9) được làm bằng đồng mạ niken, cuối cùng là lớp nhựa (8) là nhựa
bakelite.
2.4.2. Thông số kỹ thuật
Cảm biến gas – MQ2 có phạm vi phát hiện khí gas lớn, độ nhạy và tuổi thọ cao.
Cảm biến gas thường được tích hợp thành các module có thể ứng dụng vào các mạch
báo khí gas mà không cần dùng đến vi điều khiển.

1 – Chân Vcc; 2 – Chân Gnd; 3 – Chân Digital; 4 – Chân Analog.
Hình 2.6: Mạch nguyên lý module cảm biến gas MQ – 2
Module cảm biến gas có mạch nguyên lý như hình 2.6, khi cấp điện áp Vcc tại
chân 1 với mức 5V 0,1 AC hoặc DC, thì lúc này cảm biến gas – MQ2 hoạt động, điện
áp tại chân 4, 6 của cảm biến cũng là điện áp tại chân Aout 4 (chân analog có điện áp
chạy từ 0,3 – 4,5 V).
Module cảm biến gas – MQ2 có thể xuất tín hiệu ở mức 1/0 tại chân Dout
(digital), điện áp tại chân 4, 6 của cảm biến mắc vào chân 2 của opamp LM393 để so
sánh với giá trị điện áp của biến trở 10k (biến trở được cấp nguồn +5V, chân ra của
biến trở được mắc vào chân 3 của opamp LM393), có thể điều chỉnh biến trở để thay

đổi tín hiệu ở chân Dout của cảm biến. Tại opamp LM393, nếu điện áp của chân 3 lớn
10


hơn chân 2 thì chân Out sẽ xuất tín hiệu ở mức 1, led báo D1 tắt, ngược lại điện áp
chân 2 lớn hơn chân 3 thì chân Out sẽ xuất tín hiệu ở mức 0, led báo D1 sáng.
Bảng 2.1: Phạm vi phát hiện của cảm biến MQ – 2 đối với một số chất khí
Phạm vi phát hiện nồng độ các chất khí (ppm)
LPG và propane
Butan và H2
Methane
Alcohol

200 – 5000
300 – 5000
5000 – 20000
100 – 2000

2.4.3. Nguyên lý hoạt động
Trong môi trường không khí sạch, điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện
áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ – 2 càng cao. Cảm biến
dựa trên nguyên lý thay đổi độ dẫn điện của một màng mỏng bán dẫn (oxit bán dẫn)
tạo nên điện tích không gian khi hấp thụ chất khí trên bề mặt.
Cảm biến có tính lựa chọn thấp và độ dẫn bề mặt chịu ảnh hưởng của nhiệt độ
môi trường, độ ẩm và khí oxy. Để cải thiện tính lựa chọn nhận biết khí gas của cảm
biến người ta phải chọn nhiệt độ làm việc thích hợp và pha thêm vào lớp oxit một chất
xúc tác như Pd, Cu, Ni, Pt. Thời gian đáp ứng của cảm biến nằm trong khoảng từ vài
giây đến vài phút, giới hạn đo cỡ 1ppm.
Nhược điểm của cảm biến là độ ổn định theo thời gian thấp, thường xuyên phải
chuẩn lại hoặc thay thế. Ưu điểm của chúng là giá thành rẻ.

2.5. Cảm biến hồng ngoại
2.5.1. Giới thiệu

1 – Led phát; 2 – Led thu.
11