THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHO MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN LÊ HOÀNG THÔNG
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khoá: 2011-2015

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2015


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHO MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH

TÁC GIẢ

NGUYỄN LÊ HOÀNG THÔNG

Khóa luận được trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành
Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:
Thạc sĩ NGUYỄN TẤN PHÚC

Tháng 06 năm 2015

2

LỜI NÓI ĐẦU
Thời gian gần đây, cụm từ smarthome (ngôi nhà thông minh) được nhắc đến
nhiều không chỉ trong giới công nghệ mà còn trong lĩnh vực kiến trúc, thiết kế nhà ở.
Đúng như cái tên của nó, ngôi nhà thông minh có thể mang đến cho người sử dụng
những tính năng hữu ích, tiện dụng và hiện đại nhất nhờ việc kết hợp giữa kiến trúc và
công nghệ cảm biến trong nhà ở dân dụng.
Đối với thế giới, Smarthome đã được phát triển từ lâu, chúng đã được đưa vào
ứng dụng trong mọi căn nhà và hiện đang được phát triển mạnh hơn. Đối với những
nước đang phát triển như Việt Nam, Smarthome có lẽ là một cụm từ khá lạ đối với mọi
người nhưng khá quen thuộc cho những người thuộc lĩnh vực cơ khí – công nghệ.
Hiện nay, có nhiều nước trên thế giới hay một số hãng điện tử lớn như
SAMSUNG đã chế tạo thành công bộ điều khiển cho ngôi nhà thông minh.
Trong đề tài này tổng hợp các tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau nhằm hệ thống
một cách khái quát, chi tiết về cảm biến, module sim900, cụ thể là cấu tạo, nguyên lý,
nguyên tắc hoạt động và các ứng dụng quan trọng của nó.
Đề tài này bao gồm 5 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH HÓA
Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO NGHIỆM
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Do đề tài được thực hiện trong thời gian ngắn, kiến thức và điều kiện về mặt tài
chính còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được
đóng góp ý kiến từ thầy (cô) và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.

3

LỜI CẢM ƠN
Trải qua 4 năm học (2011 – 2015) tại Trường đại học Nông Lâm thành phố Hồ
Chí Minh, với sự giúp đỡ của quý Thầy Cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt từ
nhiều phía và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài.
Được sự đồng ý của Khoa cơ khí – công nghệ, Trường đại học Nông Lâm thành
phố Hồ Chí Minh, và thầy giáo viên hướng dẫn Thạc sĩ Nguyễn Tấn Phúc, em đã thực
hiện được đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho ngôi nhà thông minh”.
Em xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô trong bộ môn Cơ Điện Tử cũng như
những thầy cô thuộc các bộ môn khác đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm
cơ sở để thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện
hoàn tất khóa học.
Xin chân thành cảm ơn thầy Th.s Nguyễn Tấn Phúc đã tận tình hướng dẫn, cho
em những ý kiến, những lời chỉ dạy giúp em theo đúng định hướng khi thực hiện đề
tài. Đồng thời, xin cảm ơn tất cả các bạn đã ủng hộ và giúp đỡ mình trong suốt thời
gian làm đề tài.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Lê Hoàng Thông

4


MỤC LỤC

5


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1.1 Cảm biến nhiệt độ...............................................................................6

Hình 2.1.3 Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt độ.....................................................7
Hình 2.1.4 Sơ đồ tính toán và sai số hệ thống của LM35.....................................8
Hình 2.2.1 Module cảm biến mưa.........................................................................9
Hình 2.3.1a Cảm biến chuyển động HC-SR501.................................................11
Hình 2.3.1b Giới thiệu cảm biến chuyển động HC-SR501.................................12
Hình 2.3.4 Nguyên lý hoạt động của đầu dò PIR................................................13
Hình 2.4.1 Một số board Arduino.......................................................................14
Hình 2.4.2a Sơ đồ các chân board Arduino UNO R3.........................................15
Hình 2.4.2b Sơ đồ các chân board Arduino UNO R3.........................................15
Hình 2.5.1 Một số hình ảnh về Module Sim900.................................................17
Hình 2.5.3 Chức năng của Module Sim900........................................................19
Hình 2.5.3a Khởi động Module Sim900.............................................................19
Hình 2.5.3b Test kiểm tra đường truyền Module Sim900...................................20
Hình 2.5.3c Test nhận cuộc gọi từ Module Sim900............................................20
Hình 2.5.3d Test nhận tin nhắn SMS Module Sim900........................................20
Hình 2.5.3e Test gọi điện thoại Module Sim900.................................................21
Hình 2.5.3f Test tin nhắn Module Sim900..........................................................21
Hình 2.5.4c Cấu trúc của một tin nhắn...............................................................22
Hình 2.5.4d SMS gateway..................................................................................23
Hinh 2.6.1a Màn hình LCD 1602.......................................................................28
Hình 2.6.1b Sơ đồ và tên các chân màn hình LCD 1602....................................28
Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát............................................................................30
6


Hình 3.1.1a Khối nguồn.....................................................................................31
Hình 3.1.1b Sơ đồ ổn áp.....................................................................................32
Hình 3.1.2 Vi điều khiển Arduino.......................................................................32
Hình 3.1.3a Cảm biến nhiệt độ LM35................................................................34
Hình 3.1.3b Module cảm biến mưa....................................................................35

Hình 3.1.3c Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501..........................................36
Hình 3.1.3d Arduino...........................................................................................37
Hình 3.2.1 Lưu đồ giải thuật...............................................................................38
Hình 4.1.1 Mô hình mô phỏng............................................................................39
Hình 4.1.2 Mô hình thực tế.................................................................................40
Hình 4.2.1a Cảm biến mưa trên mô hình............................................................41
Hình 4.2.1b Cảm biến chuyển động HC-SR501 và động cơ Servo trên mô hình41
Hình 4.2.1c Module Sim900 trên mô hình..........................................................42
Hình 4.2.1d Arduino, bộ nguồn, LM35 trên mô hình.........................................42
Hình 4.2.2a Hoạt động của cảm biến chuyển động PIR và động cơ servo..........43
Hình 4.2.2b Hoạt động của Module cảm biến mưa và động cơ servo................43
Hình 4.2.2c Cảm biến chuyển động PIR và module cảm biến mưa cùng hoạt động 44
Hình 4.2a Cú pháp soạn tin nhắn........................................................................44
Hình 4.2b Có chuyển động thân nhiệt................................................................45
Hình 4.2c Khi trời có mưa..................................................................................45
Hình 4.2d Khi có chuyển động thân nhiệt và trời mưa.......................................45
Hình 4.2e Khi ở nhà không có hiện tượng gì......................................................45

7


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.4.3 Bảng đặc điểm kỹ thuật của Arduino UNO R3.................................16
Bảng 2.5.2 Bảng mô tả chức năng các chân Module Sim900.............................18
Bảng 2.5.6a Cú pháp mở rộng ở chế độ lệnh AT................................................27
Bảng 2.5.6b Một số lệnh thường dùng của tập lệnh AT......................................27
Bảng 2.6.2 Chức năng các chân màn hình LCD 1602...................................28-29
Bảng 4.2.2 Cú pháp gửi tin nhắn đến Module Sim900.......................................44

8

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1/ Mục tiêu của đề tài
Phát triển và ứng dụng các cảm biến, vi điều khiển, hệ thống hóa các thiết bị tự
động vào ngôi nhà thông thường, hạn chế những việc thủ công mà con người hàng
ngày làm: đóng/mở công tắc điện, quạt; điều hòa nhiệt độ phù hợp theo ý muốn của
chủ nhà.
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển dành cho ngôi nhà thông minh với chi
phí thấp nhưng đảm bảo phát huy được hết tính năng của bộ điều khiển cũng như theo
yêu cầu của người sử dụng nó.
Tạo điều kiện cho sinh viên nắm các khái niệm cơ bản về kỹ thuật đo lường cảm
biến, giúp sinh viên có khả năng tự làm những mạch cảm biến cơ bản. Kỹ năng này sẽ
hỗ trợ các sinh viên trong việc thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp…
Khảo sát tính chính xác của các cảm biến thông dụng và nghiên cứu sâu hơn về
lập trình cho Arduino đọc tín hiệu từ các thiết bị khác, phát huy tối đa chức năng của
nó cùng với các loại cảm biến và module Sim900.
Tìm hiểu, nghiên cứu và lập trình chi tiết các đoạn chương trình cụ thể trên nền
tảng vi điều khiển board Arduino Uno R3 để có thể đọc về các dữ liệu của một số loại
cảm biến và hiển thị chúng lên các thiết bị điện tử số thông thường như LCD, cùng với
module Sim900.
Phát huy thế mạnh của vi điều khiển Arduino vào trong thực tế.
1.2/ Lý do chọn đề tài
Từ lâu cảm biến đã được phát triển theo sự tiến bộ của khoa học – công nghệ. Đặc
biệt là trong các thiết bị tự động hóa thì không thể nào thiếu các cảm biến. Nó được
ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực: đời sống hàng ngày, công nghiệp, quân sự,…
Vậy cảm biến là gì mà đóng góp một phần không nhỏ trong sự phát triển ấy? Cảm biến
là một thiết bị điện tử cảm nhận những thay đổi từ môi trường bên ngoài và biến đổi
thành các tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị khác. Nhờ đó, các kỹ sư đã sáng tạo

9


và tạo ra các dây chuyền đóng gói sản phẩm tự động, thang máy, robot thay thế cho
con người,…
Một sự phát minh mang ý nghĩa rất thực tế mà chúng ta đang dùng hàng ngày, trở
thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người, đó là mạng di động.
Nhưng để mọi người liên lạc với nhau thông qua mạng di động thì cần phải có bộ
module nhận tín hiệu, sau đó xử lý và gửi tín hiệu. Để làm được như vậy thì các nhà
khoa học, kỹ sư đã nghiên cứu và cho ra bộ module Sim GSM.
Chưa dừng lại tại đó, mỗi cảm biến đều có một ứng dụng riêng, mỗi thiết bị cũng
có ứng dụng riêng của nó nên các nhà khoa học, kỹ sư sáng tạo ra làm thế nào để cho
ra một bộ điều khiển mà ứng dụng được vào trong nhiều lĩnh vực, vào đời sống hàng
ngày để hạn chế được sức lao động con người. Sự kết hợp giữa các loại cảm biến và
bộ module sim GSM cho ra một bộ điều khiển nhà thông minh, đây cũng là một mô
hình đang được phát triển mạnh trên toàn thế giới.
Mô hình ngôi nhà thông minh đang được phát triển rộng rãi và phổ biến trong một
tương lai gần. Đây là một ứng dụng những thiết bị khoa học – kỹ thuật hiện đại, tự
động hóa vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Hạn chế công sức con người từ
những việc lớn cho đến việc nhỏ, từ những việc thủ công như: đóng/mở cửa sổ, bật
đèn khi có người vào, thông báo nhiệt độ trong ngôi nhà, điều chỉnh máy điều hòa phù
hợp với nhiệt độ bên ngoài nhà, kéo sào phơi quần áo, cảnh báo trộm,…
Việc nghiên cứu đề tài này nhầm đóng góp một phần nhỏ trong sự phát triển về
khoa học – kỹ thuật, nâng cao trình độ Việt Nam sánh đôi cùng các nước phát triển
trên thế giới. Đây cũng là lý do để em có thể tìm hiểu rõ hơn các loại cảm biến,
module sim GSM mà mọi sinh viên khối kỹ thuật, trên hết là sinh viên thuộc các
chuyên ngành Cơ – điện tử cần phải hiểu rõ hơn. Do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, quan
trọng hơn là vấn đề về kinh tế chưa cho phép các trường đại học, cao đẳng ở Việt Nam
nói chung và trường đại học Nông Lâm TPHCM nói riêng, việc sinh viên tiếp xúc với
các loại cảm biến, module sim GSM, làm các đề tài để tiếp xúc với thực tế… còn rất

hạn chế ở mức điều kiện kinh tế cho phép ở từng trường. Mặc dù đã được các thầy cô
trong khoa chỉ dạy, hướng dẫn từng chi tiết trong suốt 4 năm học qua nhưng đó chỉ là
mặt lý thuyết, còn việc áp dụng vào thực tế thì còn rất nhiều khó khăn khi kết hợp giữa
vi điều khiển và các cảm biến; đòi hỏi em phải tìm tòi, nghiên cứu nhiều hơn nữa để
thực hiện được đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho nhà thông minh”.
10


1.3/ Nội dung đề tài
Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho nhà thông minh Smarthome.
Để thực thi một hệ thống ngôi nhà thông minh, điều khiển thiết bị từ xa thông qua
điện thoại di động áp dụng cho một ngôi nhà hoàn chỉnh rất là phức tạp và tốn kém.
Để đáp ứng được yêu cầu đó cần phải có một lượng thời gian và kiến thức nhất định,
bên cạnh đó vấn đề tài chính cũng là một yếu tố không kém phần quan trọng khi thực
hiện.
Với những kiến thức em đã được học từ thầy cô trong 4 năm học và những hạn chế
về mặt kinh tế, em chỉ thực hiện và ứng dụng một phần của hệ thống ngôi nhà thông
minh hoàn chỉnh. Cụ thể những việc sau: điểu khiển module sim900 thông báo nhiệt
độ nhà, trạng thái trời không mưa/mưa, có người hay không thông qua tin nhắn sms,
đồng thời điều khiển động cơ đóng/mở cửa.
Tra datasheet, sơ đồ nguyên lý hoạt động, đọc được tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ
LM35, cảm biến mưa, cảm biến chuyển động PIR HC-SR501; kết nối, nhắn tin sms,
gọi điện thoại voice call giữa Module Sim900 và điện thoại thông dụng được sử dụng
rộng rãi trên thị trường.
Hiện nay, board mạch Module Sim900 cũng hỗ trợ tất cả các mạng di động, cụ thể
đã được phủ sóng tại Việt Nam: vinaphone, viettel, mobifone,…
* Một số chỉ tiêu kỹ thuật cho nhà thông minh:
a/ Chỉ tiêu về ánh sáng
Ánh sáng phải được đảm bảo trong khi sử dụng như chất lượng ánh sáng, tiết kiệm
điện, ánh sáng tại mỗi nơi đều như nhau, không được để nơi quá sáng và nơi quá tối.

b/ Chỉ tiêu về nhiệt độ
Nhiệt độ phải được đảm bảo trong nhà luôn phù hợp với khí hậu với từng môi
trường, tránh tình trạng khi ra/vào nhà với 2 nhiệt độ khác nhau, sẽ khó thích nghi và
ảnh hưởng đến sức khỏe của người ở.
Khi nhiệt độ quá cao thì hiển thị lên màn hình LCD và báo cho chủ nhà biết để
tránh những tình trạng xấu nhất cũng như thiệt hại về tài sản và an toàn tính mạng con
người.
c/ Chỉ tiêu về mưa
11


Khi mưa các cửa sổ được kéo xuống và hiển thị lên màn hình LCD mặc dù trời
mưa to hay nhỏ.
1.4/ Vật dụng cần thiết trong quá trình thực hiện đề tài
4.1/ Phần cứng
- Vi điều khiển board Arduino Uno R3
- Các loại cảm biến:
+ Cảm biến chuyển động Pir HC-SR501: phát hiện thân nhiệt
+ Cảm biến nhiệt độ LM35: đo nhiệt độ
+ Cảm biến mưa: phát hiện trời đang mưa/ không mưa
- Màn hình LCD 1602: hiển thị thông số đo được từ cảm biến nhiệt độ, cảm biến
mưa, cảm biến chuyển động Pir.
- Một số linh kiện điện từ khác như: dây cắm, biến trở 10K, led,…
- Dụng cụ hỗ trợ như: mỏ hàn điện, nhựa thông, chì hàn, bread board,…
4.2/ Phần mềm
Để thực hiện được đề tài, không chỉ có phần cứng mà còn phải có phần mềm để kết
nối giữa mạch điều khiển và phần mềm hỗ trợ lập trình cho mạch điều khiển đó. Trong
đề tài này, em sử dụng phần mềm Arduino 1.6.1 for Windows, Autocad2012 và
Protues
1.5/ Ý nghĩa khoa học

Ngôi nhà thông minh Smarthome giúp cho người dân Việt Nam nói riêng và trên
toàn thế giới nói chung ứng dụng được khoa học kỹ thuật – công nghệ vào đời sống
hàng ngày, hạn chế được công sức con người, quan trọng hơn là đề cao trí tuệ con
người ngày càng cao, thông minh hơn; các thiết bị, máy móc ngày càng được tân tiến
hơn, tối ưu hóa hơn, tự động hóa hơn.
Đề tài được giám sát thông qua thiết bị kết nối module SIM900a với các thuê bao
thiết bị di động khác và được điều khiển bằng gọi điện thoại trức tiếp, tin nhắn sms
cho chủ nhà; rất thích hợp với những kĩ sư ngành cơ điện tử khi muốn điều khiển
những hệ thống từ xa có quy mô lớn trong các nhà máy, xí nghiệp và các ngôi nhà
thông thường đang ở.
12


Nhằm đánh giá cao sự phát triển khoa học – kỹ thuật của Việt Nam không thua gì
các nước phát triển trên thế giới. Riêng tại trường đại học Nông Lâm TPHCM, mô
hình nhà thông minh không còn xa lạ đối với các thầy cô trong khoa cơ khí – công
nghệ và các thầy cô khác đang giảng dạy tại trường và còn rất mới đối với các sinh
viên đang học tại trường. Chính vì thế, đây là một cơ hội và cũng là nhà trường tạo
điều kiện cho em nghiên cứu về một bộ điều khiển cho mô hình này để tạo đà phát
triển cho những lứa em các khóa sau thuộc chuyên ngành cơ – điện tử, điều khiển tự
động hóa có cơ sở để nghiên cứu sâu hơn, phát triển hơn và quan trọng là có cơ hội
ứng dụng mô hình vào thực tiễn, đời sống hàng ngày, trong các xí nghiệp, các cơ quan
nhà nước, v.v…

13


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1/ Cảm biến nhiệt độ LM35

2.1.1/ Giới thiệu
Nhiệt độ là một trong những yếu tố không thể thiếu trong đời sống hàng ngày của
mọi người; nó cũng chiếm một phần không nhỏ trong nên kinh tế quốc dân; việc đo và
giám sát nhiệt độ cũng rất quan trọng trong việc sử dụng nhiệt độ trong các ngành
công nghiệp, dây chuyền sản xuất..
Cảm biến nhiệt độ 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, không cần
cân chỉnh ngoài khi sử dụng vì nó đã được cân chỉnh sẵn; LM35 được dùng để đo
nhiệt độ.
LM35 là loại cảm biến nhiệt độ Analog.
Thông qua giao tiếp với ADC của vi điều khiển, vi điều khiển nhận tín hiệu từ
LM35 sau đó xử lý tín hiệu đó và hiển thị ra nhiệt độ hiện tại cần đo.
LM35 thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác; có hiệu năng cao

Hình 2.1.1: Cảm biến nhiệt độ
2.1.2/ Đặc điểm kỹ thuật
- Điện áp đầu vào: từ 4V đến 30V
14


- Điện áp đầu ra: từ -1V đến 6V
- Dòng điện đầu ra: 10mA
- Độ phân giải điện áp đầu ra: 10mV/0C
- Độ chính xác cao ở 250C là 0.50C
- Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho tải 1mA
- Nhiệt tỏa ra trong không khí rất nhỏ khi hoạt động: 0.080C
- Dải nhiệt độ đo được: từ -550C đến 1500C
- Công suất tiêu thụ: 60µA
- Không tuyến tính chỉ +- ¼ 0C
2.1.3/ Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1.3: Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhiệt độ

15


2.1.4/ Tính toán nhiệt độ và sai số hệ thống
* Tính toán nhiệt độ

t

LM35

U (V)

ADC

ADC_Value

Hình 2.1.4: Sơ đồ tính toán và sai số hệ thống của LM35
Từ hàm truyển trên ta có:
U=t.K
K: là điện áp đầu ra của LM35; K = 10mV/0C
T: là nhiệt độ môi trường [K]
U = t . 10mV/0C
Ta có: ADC = 11bit => n = 11
Dải đo: A = [0 – 5] V
Bước thay đổi: n = 5/2023 = 2.44 mV
Giá trị ADC đo được từ giá trị điện áp đầu vào:
t = ADC_Value * 2.44/10 (0C)

1.4.2/ Sai số hệ thống
Tại 00C, điện áp của LM35 là 10mV
Tại 1500C, điện áp của LM35 là 1.5V
=> Điện áp ADC biến đổi là: 1.5 – 0.01 = 1.49 V
ADC 11 bit nên bước thay đổi của ADC là: n = 2.44 mV
2.1.5/ Ứng dụng
Hiện nay, chúng ta đều bắt gặp rất nhiều cảm biến nhiệt độ ở 2 bên đường, trên
các tòa nhà cao tầng, trong các nhà máy xí nghiệp, … mà chúng ta không hề biết hay
để ý tới. Chẳng hạn, nó được ứng dụng vào: lò sấy, các bảng hiệu led hiển thị nhiệt độ
và ngày giờ, cảm biến nhiệt độ để điều chỉnh điều hòa phù hợp với nhiệt độ môi
16


trường trong tất cả ô tô, ngay cả trong laptop dùng hàng ngày mà mình không để ý tới,
…
Ngoài ra, cảm biến nhiệt độ LM35 còn được sử dụng dễ dàng như các IC tích
hợp khác. Khi LM35 được gắn lên bề mặt các board mạch khác thì nhiệt độ chênh lệch
giữa nó và bề mặt board đó là 0.010C
2.2/ Module cảm biến mưa
2.2.1/ Giới thiệu
Module cảm biến mưa là loại cảm biến được đặt ngoài trời để phát hiện trời có
mưa hay không, qua đó truyền tín hiệu để đóng/ngắt rờ-le.

Hình 2.2.1: Module cảm biến mưa
2.2.2/ Đặc điểm kỹ thuật
- Kích thước tấm cảm biến: 54 x 40 mm
- Kích thước board PCB: 30 x 16 mm
- Điện áp: 5V
- Đầu ra kỹ thuật số (0 và 1) và đầu ra tương tự điện áp A0
- Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra

- Đầu ra TTL, tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp. Có thể điều khiển trực tiếp relay,
buzzer, một cái quạt nhỏ,…
- Led sáng lên khi không có mưa đầu ra cao, có mưa thì đầu ra thấp Led tắt.
2.2.3/ Sơ đồ nối chân
- VCC: nguồn
17


- GND: đất
- D0: đầu ra tín hiệu TTL chuyển đổi
- A0: đầu ra tín hiệu Analog
2.2.4/ Ứng dụng
Module cảm biến mưa được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và trong
các lĩnh vực khác như: dùng dể phát hiện mưa trong ô tô để ngăn chặn thiệt hại không
mong muốn cho xe, phát hiện rò rỉ nước, được đặt trong phòng tắm, phía dưới bồn rửa
chén; bên cạnh đó nó cũng được ứng dụng cho mát giặt, máy xả bồn tắm, đặt biệt là
đặt cảm biến này ngoài trời phát hiện mưa và đóng các cửa sổ đang mở, kéo sào phơi
đồ vào nhà,…
2.2.5/ Ưu và nhược điểm
Ưu điểm: nhận biết được trời có mưa hay không, qua đó giúp ta kịp thời đóng/ mở
cửa sổ và kéo sào phơi đồ vào tránh bị ướt quần áo.
Nhược điểm: Module cảm biến mưa có 1 tấm dùng để nhận viết có nước hay
không, trên tấm đó có 2 cực dương và âm tách rời nhau, khi 2 cực đó được nối với
nhau thì cảm biến sẽ lên mức 1 (HIGH) hoặc ngắt nhau xuống mức 0 (LOW).
Nhưng nếu trời không mưa mà có 1 vật dẫn điện nào đó rơi trúng và nằm trên tấm
này thì module sẽ hiểu là trời đang mưa. Đó là 1 hạn chế lớn khi sử dụng module cảm
biến này.
* Cách khắc phục:
- Thiết kế gắn module cảm biến mưa nơi ít có vạt dẫn điện rơi vào hay chim, cò
bay ngang hay con vật đi ngang qua.

- Phải có lưới ô nhỏ che chắn bao quanh tấm kim loại này tránh những vật hay con
vật đi ngang qua.
2.3/ Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501
2.3.1/ Giới thiệu
Cảm biến chuyển động Pir (Pir moton detector) là loại cảm biến dùng để phát hiện
các vật thể nóng (thân nhiệt) có chuyển động ngang qua.

18


Pir là viết tắt trong tiếng anh của từ Passive InfraRed sensor (PIR sensor), là một
loại cảm biến thụ động dùng nguồn kích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) này
chính là các tia phát ra từ các vật và từ cơ thể thân nhiệt (con người, động vật). Cảm
biến này là loại cảm biến thụ động vì nó không thể dùng nguồn nhiệt tự phát (làm
nguồn tích cực, nguồn chủ động) mà phải phụ thuộc vào các nguồn nhiệt ở các vật
nóng khác như nguồn nhiệt từ: con người, con vật,…

Hình 2.3.1a: Cảm biến chuyển động HC-SR501
PIR HC-SR501 là cảm biến chuyển động điều chỉnh được độ nhạy bao gồm 2 biến
trở: 1 biến trở điều chỉnh độ nhạy của cảm biến (Sx), 1 cảm biến điều chỉnh thời gian
đóng của cảm biến (Tx).
* Các điều chỉnh (vặn) biến trở để chỉnh độ nhạy cảm biến: vặn về bên phải sẽ làm
tăng giá trị, vặn về bên trái sẽ làm giảm giá trị.
HC-SR 501 đặc biệt ở chỗ nó có khả năng điều chỉnh được độ nhạy (không có tác
dụng khi có con vật đi ngang qua cảm biến). Với cảm biến PIR không có biến trở điều
chỉnh được độ nhạy cảm biến thì khi có người và con vật hay bất kỳ vật có chuyện
động nhiệt xuất hiện ngang qua cảm biến thì sẽ vẫn có tác dụng cảm biến và làm vảm
biến đóng. Hoặc nhất là khi chống trộm mà trong nhà chúng ta có nuôi con vật sẽ làm
báo động giả, gây phiền toái cho chúng ta.
Về cảm biến PR HC-SR501, nhà sản xuất đã sử dụng IC cảm biến mới nhất có tên

mã: BISS0001 A1326311.1 làm tăng khả năng chuyển động.

19


Hình 2.3.1b: Giới thiệu cảm biến chuyển động HC-SR501
2.3.2/ Đặc điểm kỹ thuật
- Phạm vi điện áp hoạt động: 4.5 - 20 (V)
- Dòng hoạt động ở trạng thái nghỉ: 5V và 50µA
- Dòng hoạt động ở trạng thái hoạt động: 5V và 300µA
- Chân ra OUT khi kích hoạt ở mức 3.3V (HIGH) và không bị kích hoạt ở mức 0V
(LOW)
- Nhiệt độ hoạt động: -150 đến 700
- Khoảng cách cảm biến: góc đo mở rộng đến 1200 và tầm xa lên đến 7m
- Thời gian báo: 30(s) hoặc có thể điều chỉnh bằng biến trở
- Thời gian giữ mức cao: 0.5 – 200(s) (được điều chỉnh bằng biến trở Tx)
- Kích thước cảm biến: 32 x 24 x 24 (mm)
2.3.3/ Sơ đồ chân
- Chân VCC: nối với nguồn 5V hoặc 3.3V
- Chân GND: nối với đất
- Chân OUT: là chân tín hiệu nối với vi điều khiển (trong đề tài này chân OUT sẽ
được nối với chân digital của Arduino UNO)

20


2.3.4/ Nguyên lý làm việc của đầu dò PIR
Các nguồn nhiệt (đối với người và con vật hoặc các vật phát ra nhiệt đều là nguồn
thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kính lọc lấy tia hồng
ngoại, nó được tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò và tạo ra 2 điện áp

được khuếch đại với transistor FET. Khi có vật thể nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến
này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và chính tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biến độ
đủ cao và đưa vào mạch so áp đề tác động vào thiết bị điều khiển hay thiết bị báo động
tùy vào trường hợp mà ta cần.

Hình 2.3.4: Nguyên lý hoạt động của đầu dò PIR
2.3.5/ Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt
Khi có vật thể nóng đi ngang qua, trên thân vật đó sẽ luôn phát ra tia nhiệt, nó được
tiêu thụ mạnh với kính Fresnel và rồi tiêu tụ trên PIR là cảm biến hồng ngoại. Vậy khi
con vật đi ngang, sẽ xuất hiện một tín hiệu và tín hiệu này sẽ được cho vào mạch xử lý
để tạo tác dụng điều khiển hay báo động.
2.3.6/ Ứng dụng
Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta có rất nhiều các thiết bị hoạt động bằng
thủ công thì module cảm biến PIR là một thiết bị kết hợp với các thiết bị như relay,
transistor, vi điều khiển và nó có rất nhiều ứng dụng như:
- Hệ thống chiếu sáng tự động
21


- Hệ thống điều khiển quạt tự động
- Hệ thống camera quan sát tự động
- Hệ thống chống trộm đơn giản
2.4/ Arduino
2.4.1/ Giới thiệu
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.

Arduino có thể tương tác với môi trường xung quanh, nó có thể kết nối với:
- Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại: cảm biến nhiệt độ, gia tốc, vận tốc,
cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện
kim loại,…
- Các thiết bị hiển thị: màn hình LCD, đèn Led,…
- Các module chức năng (shield) hỗ trợ kết nối có dây với các thiết bị khác hặc các
kết nối không dây thông dụng như: 3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433MHz,
2.4GHz,…
- Định vị GPS, GSM Module Sim900, nhắn tin SMS,…
Trong đề tài này, em sẽ dùng vi điều khiển Arduino UNO R3 – một loại Arduino
rất quen thuộc mà ai cũng có thể làm được, đặc biệt là đối với những người mới bắt
đầu làm quen với môi trường Arduino.

Hình 2.4.1: Một số board Arduino
22


2.4.2/ Vi điều khiển trên board Arduino
Arduino UNO R3 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,…
Trên board Arduino UNO R3 sử dụng vi điều khiển Atmega328. ATmega328 có tên
đầy đủ là ATmega328P-PU. ATmega328 được xem là linh hồn, sức mạnh về phần
cứng của board Arduino UNO. Nếu hạn chế về mặt kinh tế, chúng ta không cần phải
mua một board Arduino mà chỉ với một VĐK Atmega328 và những linh kiện nhỏ khác
thì chúng ta đã có một mạch tương tự như một board Arduino.
Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega328

Hình 2.4.2a Sơ đồ chân Arduino UNO R3

Hình 2.4.2b: Sơ đồ các chân board Arduino UNO R3
2.4.3/ Đặc điểm kỹ thuật
23


Bảng 2.4.3: Bảng đặc điểm kỹ thuật của Arduino UNO R3
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Tần số hoạt động
Dòng điện tiêu thụ
Điện áp khuyên dùng
Điện áp giới hạn
Số chân Digital I/O
Số chân Analog
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
Dòng ra tối đa (5V)
Dòng ra tối đa (3.3V)

Atmega328 (họ 8bit)
5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
16MHz
30mA
7 – 12V DC
6 – 20V DC
14 (6 chân PWM)
6 (độ phân giải 10bit)
30mA
500mA
50mA

32 KB (Atmega328) với 0.5K dùng bởi
Bộ nhớ Flash
bootloader)
SRAM
2 KB (Atmega328)
EEPROM
1 KB (Atmega328)
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu và 6 chân analog.
Có 2 mức điện áp là 3.3V 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
2.5/ GSM Module Sim900 và AT command
2.5.1/ Giới thệu GSM Module Sim900
Module Sim900 là một module GSM/GPRS nhỏ gọn, được thiết kế phù hợp với
tất cả thị trường trên toàn thế giới.
Module này được xem như là 1 điện thoại chỉ có chức năng gọi, nhắn tin; Sim900
hoạt động được ở 4 băng tần GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz và PCS
1900MHz như là một thiết bị đầu cuối với một chip xử lý đơn nhân rất mạnh dựa trên
nền tảng vi xử lý ARM926EJ-S, đáp ứng được những yêu cầu về không gian trong các
ứng dụng M2M.
M2M (machine – to – machine) là công nghệ cho phép các thiết bị có thể trao đổi
với nhau thông qua mạng vô tuyến hoặc hữu tuyến, nó được xem là một thành phần
của Internet. Một số ứng dụng của M2M:
- Enviromental monitoring (Giám sát môi trường)
- Sapply chain management (SCM) (Quản lý chuỗi xử lý)
- Energy and utility distribution industry (small grid) (Phân bổ năng lượng và chức
năng trong công nghiệp)
24


- Intelligent Transport Systems (ITSs) (Hệ thống truyền dẫn thông minh)

- Healthcare (Chăm sóc sức khỏe)
- Automation of building (Tự động hóa các ngôi nhà)
- Militay applications (Ứng dụng trong quân sự)
- Agriculture (Nông nghiệp)
…
Hỗ trợ khá đầy đủ các ngõ ra như: RS232, Audio, ADC, VRTC, PWM, I2C,… Rất
dễ dàng kết nối với các vi điều khiển như: Arduino, PIC, AVR, ARM để điều khiển và
giám sát qua môi trường mạng GSM, GPRS; lập trình cho Module Sim900 thông qua
tập lệnh AT COMMAND – một tập lệnh rất quen thuộc và thường dùng của các kỹ sư
khối ngành kỹ thuật, đặc biệt là chuyên ngành Cơ – điện tử.
Một số hình ảnh về Module sim900

Hình 2.5.1: Một số hình ảnh về Module Sim900
2.5.2/ Đặc điểm kỹ thuật GSM Module Sim900
- Module GSM/GPRS SIM900:
+ Điều khiển thông qua tập lệnh AT COMMAND
- Điện áp hoạt động:
+ Nguồn xung dùng IC LM2596 cho dòng tải 3A, tần số đáp ứng 150Khz
+ Điện áp ngõ vào: 4.2 - 4.8V DC. Nếu cấp nguồn 5V thì cần thông qua Diode
1N4007 và mắc thêm tụ 2000µF song song với nguồn của sim900.
+ Dòng ở chế độ chờ: 10mA.
25