Đồ án cửa tự động sử dụng arduino, cảm biến rada và hồng ngoại

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................

1


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có nhiều ứng dụng ngày càng rộng rãi và thâm
nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống.

Sự phát triển bền vững của kinh tế, chính trị ở mỗi quốc gia trên thế giới làm cho
nhu cầu đòi hỏi về sự trang trọng tiện nghi trong cả nơi làm làm việc cũng như nhà ở hay
nơi công cộng càng có nhu cầu cao hơn. Sự ra đời ngày càng nhiều của các tòa nhà,
khách sạn, trung tâm thương mại, các cao ốc văn phòng… với mức độ tự động hóa cao
ngày càng nhiều hơn. Nhu cầu về nhân lực cũng như thiết bị vật tư, các giải pháp thiết kế
và thi công cao. Đó là lĩnh vực có thể nghiên cứu đầu tư kinh doanh khả thi trong tương
lai không xa.
Sau khi cơ bản hoàn thành xong chương trình đại học ngành điện tự động hóa,
trương Đại học Công nghiệp Hà Nội, chúng em được giao thực hiện đề tài tốt nghiệp: “
Thiết kế hệ thống đóng mở cửa tự động dùng cảm biến cho sảnh chính toàn nhà ” với
sự hướng dẫn của Ths. Hoàng Duy Khang giảng viên trường Đại học Công nghiệp Hà
Nội. Nội dung đồ án gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cửa tự động và phân loại.
Chương 2: Hê thống cảm biến và cơ cấu chấp hành trong hệ cửa tự động.
Chương 3: Giới thiệu về Arduino UNO R3 và Mạch vi điều khiển ATmega328
Chương 4: Xây dựng sơ đồ khối chức năng và lập trình hệ thống
Chương 5: Thiết kế mô hình mô phỏng và kết quả.
Sau gần 2 tháng thực hiện, với sự cố gắng, nỗ lực tìm tòi nghiên cứu và làm việc
nghiêm túc của bản thân, đồ án đã được hoàn thành, song do trình độ kiến thức còn hạn
chế thời gian có hạn nên đề tài đã không tránh khỏi nhưng thiếu sót. Rất mong nhận được
nhưng đóng góp quý báu từ các thầy cô, các bạn sinh viên để đề tài có thể phát triển,
hoàn thiện và có tính khả thi trong tương lai hơn.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện – tự động hóa
trường Đại học Cộng nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành đề tài
này, đặc biệt là Ths. Hoàng Duy Khang giảng viên hương dẫn chính đã có công rất lớn
hướng dẫn, chỉ bảo em thực hiện đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện

2

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong bản đồ án tốt nghiệp
“Thiết kế hệ thống đóng mở cửa tự động dùng cảm biến cho sảnh chính
toàn nhà” này là do em làm và thực hiện.
Sinh viên thực hiện

Đàm Tuấn Thành
Hoàng Mạnh Chiến
Phạm Ngọc Tú
Đinh Gia Quang

3


Mụ c lụ c
LỜI NÓI ĐẦU----------------------------------------------------------------------------------------------- 2
LỜI CAM ĐOAN ------------------------------------------------------------------------------------------- 3
CHƯƠNG 1: ------------------------------------------------------------------------------------------------ 7
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI ------------------------------------ 7
1.1.

Tổng quan về hệ thống cửa tự động ------------------------------------------------------------------------------ 7
Ưu điểm của cửa tự động -------------------------------------------------------------------------------------- 7
Ứng dụng của cửa tự động ------------------------------------------------------------------------------------ 7

1.2. Các loại cửa tự động hiện nay -------------------------------------------------------------------------------------- 8
1.2.1.
Cửa kéo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8

1.2.2.
Cửa cuốn ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
1.2.3.
Cửa trượt---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
1.3.

Khảo sát một số loại cửa đóng mở tự động ------------------------------------------------------------------- 10

1.4. Kết cấu cơ khí ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
1.4.1.
Khung cửa tự động--------------------------------------------------------------------------------------------- 11
1.4.2.
Cơ cấu truyền động của cửa tự động ---------------------------------------------------------------------- 12
1.4.3.
Cánh cửa ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12
1.4.4.
Puli ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 13
1.5. Các yêu cầu và mục đích chế tạo mô hình cửa đóng mở tự động --------------------------------------- 13
1.5.1.
Các yêu cầu của mô hình -------------------------------------------------------------------------------------- 13
1.5.2.
Yêu cầu về chương trình chung------------------------------------------------------------------------------ 13
1.5.3.
Yêu cầu về cơ khí ------------------------------------------------------------------------------------------------ 14
1.5.4.
Mục đích của việc chế tạo mô hình ------------------------------------------------------------------------- 14

CHƯƠNG 2: ---------------------------------------------------------------------------------------------- 15
HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRONG HỆ CỬA TỰ ĐỘNG -------------- 15
2.1. Hệ thống cảm biến. --------------------------------------------------------------------------------------------------- 15

2.1.1
Khái niệm chung về cảm biến. ------------------------------------------------------------------------------- 15
2.1.2
Phân loại cảm biến---------------------------------------------------------------------------------------------- 15
2.1.3
Vai trò của cảm biến-------------------------------------------------------------------------------------------- 15
4


2.2. Lựa chọn cảm biến cho đề tài ------------------------------------------------------------------------------------- 16
2.2.1
Khái niệm tia hồng ngoại -------------------------------------------------------------------------------------- 16
2.2.2
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK----------------------------------------------------------------- 16
2.2.3
Module cảm biến Radar RCWL-0516 ----------------------------------------------------------------------- 17
2.2.4
Cảm biến hồng ngoại HC-SR501 ----------------------------------------------------------------------------- 19
2.3. Cơ cấu chấp hành trong hệ cửa tự động ----------------------------------------------------------------------- 21
2.3.1
Cấu tạo động cơ DC--------------------------------------------------------------------------------------------- 21
2.3.2
Công tắc hành trình--------------------------------------------------------------------------------------------- 24
2.3.3
Module điều khiển động cơ L298N- để điều khiển động cơ DC ------------------------------------- 27

CHƯƠNG 3: ---------------------------------------------------------------------------------------------- 29
GIỚI THIỆU VỀ MẠCH ARDUINO UNO R3 VÀ CHIP VĐK ATMEGA328 -------------------- 29
3.1

Giới thiệu Arduino ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 29

3.2
Giới thiệu vi điều khiển Atmega 328 ---------------------------------------------------------------------------- 32
3.2.1
Cấu trúc vi điều khiển Atmega328 -------------------------------------------------------------------------- 34
3.2.2
Các chân của vi điều khiển Atmega328 -------------------------------------------------------------------- 35
3.2.3
Mô tả chức năng các chân ------------------------------------------------------------------------------------ 36
3.2.4
Timer/Counter ATmega328 ---------------------------------------------------------------------------------- 37
3.2.5
Ngắt trong Arduino - Interrupts ----------------------------------------------------------------------------- 41
3.3

Xung PWM trong Arduino ------------------------------------------------------------------------------------------ 44

CHƯƠNG 4: ---------------------------------------------------------------------------------------------- 47
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG VÀ LẬP TRÌNH HỆ THỐNG -------------------------- 47
4.1
Sơ đồ khối --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 47
4.1.1
Sơ đồ khối tổng quát ------------------------------------------------------------------------------------------- 47
4.1.2
Chức năng các khối --------------------------------------------------------------------------------------------- 47
4.2
Lập trình hệ thống ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 52
4.2.1
Phần mềm lập trình – Arduino IDE ------------------------------------------------------------------------- 52

4.2.2
Ngôn ngữ lập trình ---------------------------------------------------------------------------------------------- 55
4.2.3
Lưu đồ thuật toán ---------------------------------------------------------------------------------------------- 56

CHƯƠNG 5: ---------------------------------------------------------------------------------------------- 58
THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ --------------------------------------------------- 58
5


5.1
Phần mềm mô phỏng ------------------------------------------------------------------------------------------------ 58
5.1.1
Phần mềm Proteus --------------------------------------------------------------------------------------------- 58
5.1.2
Thiết kế sơ đồ nguyên lí và mô phỏng --------------------------------------------------------------------- 59
5.2
Thi công mô hình thực tế ------------------------------------------------------------------------------------------- 61
5.2.1. Cách thức hoạt động của động cơ ------------------------------------------------------------------------------- 61
5.2.2. Các chế độ hoạt động của hệ thống ----------------------------------------------------------------------------- 62
5.2.3. Hoàn thiện mô hình ------------------------------------------------------------------------------------------------- 63
5.3

Kết quả ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 64

PHỤ LỤC -------------------------------------------------------------------------------------------------- 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO -------------------------------------------------------------------------------- 70

6

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI
1.1.

Tổng quan về hệ thống cửa tự động
Ưu điểm của cửa tự động

- Được tăng cường chức năng bảo vệ an toàn khỏi tình trạng bị kẹp cửa, bao gồm
khả năng tự động đảo chiều khi gặp vật cản và trang bị cảm biến an toàn hồng ngoại.
- Được trang bị tính năng tự chẩn đoán lỗi, tự kiểm tra toàn bộ thiết bị khi khởi
động và đang hoạt động.
- Được trang bị tính năng bảo vệ quá nhiệt động cơ và chức năng cảnh báo, ngắt
khi motor hoạt động quá tải.
- Sử dụng bánh răng hộp số có tuổi thọ cao, bền bỉ, độ ồn khi hoạt động thấp và
động cơ hiệu quả cao.
- Có sẵn nhiều chức năng có thể lựa chọn được từ xa bởi thiết bị cầm tay.
- Có chức năng cho phép cửa hoạt động ở tốc độ đóng-mở cao và chức năng ngăn
ngừa hiện tượng cửa mở ra khi không được phép
- Cửa tự động đem lại cảm giác thoải mái cho người dùng, loại bỏ hoàn toàn cảm
giác ngại, khó chịu như khi dùng cửa thường.
- Nếu người dùng đang bê vác vật gì đó (bằng cả hai tay) thì cửa tự động không
những chỉ tạo cảm giác thoải mái mà còn tạo thuận lợi cho người dùng hoàn thành công
việc mà không bị cản trở.
- Sử dụng cửa tự động sẽ giúp người dùng đỡ tốn thời gian để đóng mở cửa tức là
tiết kiệm cho họ một khoảng tời gian dù là rất nhỏ nhưng cũng có thể rất cần thiết trong
nhịp sống công nghiệp hiện đại ngày nay.
Ứng dụng của cửa tự động
Ở những nơi công cộng, cửa tự động ngày càng phát huy ưu điểm vì sẽ giúp
cho lưu thông qua cửa nhanh chóng, dễ dàng, cũng như sẽ giảm đi những va chạm khi

nhiều người cùng sử dụng chung một cánh cửa.
Thêm vào đó, hiện nay hệ thống máy lạnh được sử dụng khá rộng rãi ở những nơi
công sở, công cộng. Nếu ta dùng loại cửa bình thường thì phải đảm bảo cửa luôn đóng
khi không có người qua lại để tránh thất thoát hơi lạnh ra ngoài gây lãng phí. Thế nhưng
7


điều này trong thực tế lại rất khó thực hiện vì ý thức của mỗi người ở nơi công cộng là rất
khác nhau. Do đó, cửa tự động, với tính chất là luôn đóng khi không có người qua lại đã
đáp ứng được tốt yêu cầu này.
Chính vì những ưu điểm nổi bật của cửa tự động mà chúng ta càng phải phát triển
ứng dụng nó rộng rãi hơn, đồng thời nghiên cứu để cải tiến và nâng cao chất lượng hoạt
động của cửa tự động để nó ngày càng hiện đại hơn, tiện ích hơn.
- Cửa nhôm kính tự động thường được lắp ở những nơi đông người qua lại như:
+ Trường học, bệnh viện.
+ Khu trung tâm mua sắm, siêu thị,
+ Nhà hàng, Khách sạn.
+ Sân bay, nhà ga.
+ Nhà xưởng.

1.2.

Các loại cửa tự động hiện nay
1.2.1. Cửa kéo

Hiện nay có nhiều loại cửa tự động : cửa kéo, cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt....Nhưng
chúng thường được sản xuất ở nước ngoài bán tại việt nam với giá thành khá cao. Vì thế
chúng không được sử dụng rộng rãi. Nhu cầu cửa tự động ở Việt Nam là rất lớn về lượng
và chủng loại.

Hình 1:Cửa kéo
8


Loại cửa này còn khá lạ ở nước ta, với kết cấu đơn giản một động cơ được gắn cố
định với trần nhà. Cửa được động cơ kéo bằng một đoạn dây. Ưu điểm của loại này là
đơn giản nhưng hiệu quả, cánh cửa chắc. Có lẽ nhược điểm của loại cửa này là động cơ
gắn với trần nhà vì vậy cần phải gắn đủ chắc để chịu được sức nặng của cửa. Vì vậy trong
thực tế người ta ít sử dụng loại cửa kéo này do nhược điểm là phải gắn đủ chắc để chịu
sức nặng nếu không sẽ rất nguy hiểm cho người sử dụng.
1.2.2. Cửa cuốn

Hình 2:Cửa cuốn

Loại cửa này với cánh cửa có khả năng cuộn tròn lại được. Khi có tín hiệu điều
khiển đóng mở cửa, động cơ của cửa sẽ tác động qua một trục cuốn cửa cuộn tròn quanh
trục đó. Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, chỉ cần một động
cơ công suất nhỏ. Thường được dùng làm cửa cho gara ôtô. Nó có tính kinh tế cao vì dễ
chế tạo. Nhưng cũng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị han hơn các loai
của khác .

9


1.2.3. Cửa trượt

Hình 3:Cửa trượt

Loại của này có đặc điểm là có một rãnh cố định cho phép cánh cửa có thể
trượt qua lại. Cửa trượt có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dạng rãnh trượt như

rãnh thẳng thì là loại cửa chuyển động tịnh tiến, rãnh tròn thì là loại cửa chuyển
động xoay tròn. Loại cửa này thường được sử dụng trong nhà hàng, khách sạn,
sân bay, nhà ga … Cửa này có ưu điểm là kết cấu nhẹ nhàng tạo cảm giác thoáng
đạt, thoải mái và lịch sự. Loại cửa này thiết kế khá dễ dàng, có thể nhận biết
được người, máy móc có thể đi qua. Loại cửa này ở nước ta được sử dụng khá
phổ biến .

1.3.

Khảo sát một số loại cửa đóng mở tự động

Thông qua việc quan sát, tìm hiểu về cửa tự động ở một số địa điểm, ta
nhận thấy cửa tự động được sử dụng chủ yếu ở những nơi giao dịch thương mại,
những công sở lớn, ở sân bay, ngân hàng và các khách sạn lớn. Vì những nơi này
có lượng người qua lại lớn, đồng thời những nơi này lại yêu cầu có tính hiện đại,
sang trọng và tiện dụng. Sử dụng cửa tự động tại những nơi này sẽ đáp ứng được
những yêu cầu trên .
10


Tuy nhiên cửa tự động cũng có rất nhiều loại tuỳ theo yêu cầu về mục đích sử
dụng như trọng lượng cửa, chiều cao hay phần mạch điều khiển cửa.
Theo trong lượng cửa thì có các loại sau: loại trên 200kg/hai cánh, loại dưới
200kg/2 cánh và một số lại trọng lượng lớn, chịu lực được thiết kế theo đơn đặt hàng
riêng…ngoài ra người ta còn chia ra làm hai loại theo số cánh cửa: loại một cánh và loại
hai cánh.
+ Cửa tự động chỉ có một cánh: sử dụng ở những nơi yêu cầu tính hiện đại, sang
trong nhưng lại có số lượng người đi qua lại không nhiều. Hay những loại cổng có kích
thước lớn dùng ở các công ty, xí nghiệp hay những ngôi nhà lớn…
+ Cửa tự động có hai cánh: loại cửa này được dùng rộng rãi hơn so với loại cửa tự

động một cánh. Theo phần mạch điều khiển, hiện nay thì hầu hết những loại cửa tự động
đều dùng mạch phi tiếp điểm, ngoài ra tại một số khu vực rộng lớn có nhu cầu giao dịch
và vận chuyển hiện đại như sân bay, sân ga xe lửa, tầu điện ngầm thì hệ thống cửa tự
động được sử dụng phần mềm lô gô để điều khiển.

1.4.

Kết cấu cơ khí

Kết cấu cơ khí của cửa đóng mở tự động là vô cùng quan trọng, đòi hỏi độ
chính xác cao mới đảm bảo cửa vận hành an toàn, ổn định.
1.4.1. Khung cửa tự động

11


1.4.2. Cơ cấu truyền động của cửa tự động

1.4.3. Cánh cửa
Cửa được làm bằng tấm gỗ dầy 1cm, phía trên
được gá vào thanh trượt hình chữ nhật để lắp ghép
với cơ cấu chuyển động.

12


1.4.4. Puli

Puli được gia công bằng sắt với đường kính ngoài 30mm, đường kính trục 6mm.

1.5.

Các yêu cầu và mục đích chế tạo mô hình cửa đóng mở tự động

1.5.1. Các yêu cầu của mô hình
+ Kích thước gọn gàng
+ Hệ thống cơ hoạt động tốt, vận hành ổn định
+ Hệ thống điện tốt, hoạt động đúng theo thiết kế
1.5.2. Yêu cầu về chương trình chung
Cửa phải tự động mở khi có người muốn đi qua, và phải tự động đóng sau đó.
Cửa thiết kế để có thể đóng mở một cách thông minh, khi có tín hiệu người thì cửa
mở ra thì mở với vận tốc v1 nhanh nhất để người lập tức có thể ra vào. Khi cửa mở gần
hết hành trình thì tự động giảm tốc độ xuống vận tốc v3 nhỏ nhật để cửa dừng lại chính
xác ở cuối hành trình mở . Khi hết tín hiệu người , sau một khoảng thời gian trễ 3 giây,
cửa sẽ đóng lại nhanh với vận tốc v2. Khi gần hết hành trình đóng, thì cửa giảm tốc độ
đóng xuống v3 để tránh va chạm giữa hai cánh cửa.
Khi cửa đang đóng lại, nếu lại có tín hiệu chuyển động từ người thì cửa lại lập tức
mở ra .

13


1.5.3. Yêu cầu về cơ khí
Yêu cầu của mô hình là phải giống với cửa thật cả về hình thức và chất lượng hoạt
động, phải chắc chắn và gọn gàng. Do đó, việc thiết kế kết cấu cơ khí cho mô hình cũng
phải đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật như đối với cửa thật: Khung cửa, cánh cửa, rãnh
trượt, xích, bánh răng, trục quay... Ngoài ra, còn có các kết cấu phụ để tạo ra mô hình cửa
tự động thật hoàn chỉnh như cửa thật.
Động cơ ở đây là loại động cơ 1 chiều được cấp nguồn bởi bộ chỉnh lưu cầu 1
chiều, kết hợp với bộ đảo chiều cho phép động cơ có thể quay thuận hoặc quay ngược.

1.5.4. Mục đích của việc chế tạo mô hình
- Nghiên cứu, chế tạo ra mô hình cửa tự động này sinh viên cũng phải tham
khảo thực tế nhiều lĩnh vực và tham khảo bằng nhiều tài liệu khác nhau. Điều đó mang lại
sự hiểu biết sâu sắc hơn cho sinh viên không chỉ trong một lĩnh vực tự đông hoá mà còn
nhiều lĩnh vực,ngành nghề khác như điện,điện tử, cơ khí...
- Việc chế tạo ra mô hình hoạt động tốt sẽ tạo điêu kiện cho sinh viên có cơ hội học
tập và nghiên cứu môn học một cách thực tế, là một cơ hội rất tốt giúp sinh viên khỏi bỡ
ngỡ khi làm việc thực tế.
- Tạo ra một mô hình cửa đóng mở tự động có thể hoạt động tốt, từ đó có thể chế
tạo được cửa tự động phục vụ thực tế .

14


CHƯƠNG 2:
HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRONG HỆ
CỬA TỰ ĐỘNG
2.1.

Hệ thống cảm biến.

2.1.1 Khái niệm chung về cảm biến.
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại
lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được.
Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, trọng
lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như
(như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định
giá trị của đại lượng đó.
Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)
S = F(M)

Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến. (M) là đại lượng
đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (S) cho phép
nhận biết giá trị (M)
2.1.2 Phân loại cảm biến
Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:
Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt
bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ
trường, trọng trường,...
Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,...
2.1.3 Vai trò của cảm biến
Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng và
trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung.
Là thiết bị có khả năng cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào, ra.
Có vai trò đo đạc các giá trị.
Giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo.

15


2.2.

Lựa chọn cảm biến cho đề tài

Với yêu cầu của bài toán là cảm biến sử dụng cho hệ cửa tự động chúng em đã
lựa chọn 2 loại cảm biến với chức năng khác nhau
* Cảm biến Radar dùng để phát hiện chuyển động
* Cảm biến vật cản hồng ngoại dùng để đảm bảo an toàn chống kẹp
2.2.1 Khái niệm tia hồng ngoại
Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ nằm ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy, có
bước sóng lớn hơn bước sóng của tia đỏ (λ > 760 nm). Sóng hồng ngoại được tạo ra dễ

dàng bằng cách tạo dao động cho diode phát hồng ngoại chuyên dụng. Do đó hồng ngoại
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tia hồng ngoại với bản chất sóng điện từ nên có thể
phản xạ khi gặp bề mặt vật thể. Ta có thể ứng dụng đặc điểm này để phát hiện vật thể.
Ngoài ra hồng ngoại còn được sử dụng để truyền tin không dây do có khả năng
chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường do đó có thể mang thông tin mã hóa. Thiết bị
thu phát hồng ngoại lại khá đơn giản, gọn nhẹ, giá thành rẻ. Với những ưu điểm trên hồng
ngoại được lựa chọn như một giải pháp tối ưutrong việc thiết kế mạch phát hiện vật thể cho
cửa tự động.
2.2.2 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18D80NK dùng ánh sáng hồng ngoại để
xác định khoảng cách tới vật cản cho độ
phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử
dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại
theo tần số riêng biệt. Cảm biến có thể
chỉnh khoảng cách báo mong muốn
thông qua biến trở, ngõ ra cảm biến ở
dạng cực thu hở nên cần thêm 1 trở treo
lên nguồn ở chân Tín hiệu khi sử dụng.

Hình 4:Cảm Biến Vật Cản Hồng Ngoại E18-D80NK

16


Thông số kỹ thuật:
 Nguồn điện cung cấp: 5VDC.
 Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
 Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.
 Dòng kích ngõ ra: 300mA.
 Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên

áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu.
 Chất liệu sản phẩm: nhựa.
 Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
 Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L).
Sơ đồ chân
 Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC.
 Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
 Màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần phải có trở kéo để tạo thành
mức cao.
Ứng dụng
 Phát hiện hoặc đếm sản phẩm trong dây truyền
 Ứng dụng trong Robot dò đường
 Dùng trong cửa tự động
2.2.3 Module cảm biến Radar RCWL-0516
Module Cảm Biến Radar RCWL-0516 dùng
để phát hiện vật cản bằng sóng radar, với khoảng
cách phát hiện từ 5 đến 9m, sóng có thể xuyên một
số vật cản bằng nhựa, gỗ mỏng nên có thể đặt
module trong hộp để bảo vệ. Cảm biến có độ nhay
và độ bền cao.

Hình 5:Mặt trước Module Cảm Biến Radar RCWL-0516
17


a. Thông số kĩ thuật:


Điện áp hoạt động: 4~28VDC.



Dòng tiêu thụ:2.8mA, 3mA (max)



Khoảng cách hoạt động:5-9m



Năng lượng truyền:20mW (chuẩn);30mW (max)



Điện áp ra:3.2-3.4V



Dòng ra: 100mA



Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 80 C

Hình 6:Mặt sau Modul cảm biến Radar RCWL-0516

b. Chức năng của các linh kiện vị trí phía sau


C_TM: Đây là vị trị gắn tụ điện để điều chỉnh thời gian kích, mặc định nếu không

có tụ điện thì thời gian kích là 2s, gía trị tụ điện càng lớn thì thời gian kích càng
lâu.



R_GN: Đây là vị trí gắn điện trở chỉnh khoảng cách phát hiện vật cản, nếu không
có điện trở thì khoảng cách mặc định là 7m, nếu nối điện trở 1MOhm thì khoảng
cách phát hiện vật cản giảm xuống còn 5M, giá trị điện trở càng nhỏ thì khoảng
cách phát hiện càng gần.



R_CDS: Đây là vị trí gắn quang trở, nếu gắn quang trở vào vị trí này thì cảm biến
sẽ không hoạt động vào buổi tối.



Chức năng các chân

18




3.3V: ngõ ra 3.3V



GND : nối GND của pin.



Vin : nối pin.



OUt : Ngõ ra digital, Nếu có tín hiệu thì điện áp 3.3V, không có tín hiệu sẽ là 0V



CDS : chân diasble module, nối 0V thì module sẽ không hoạt động



Một số ứng đụng của cảm biến
c. Ứng dụng:



Dùng trong các thiết kế nhà thông minh như hệ thống đèn báo chống trộm.



Phát hiện vật cản cho hệ thống cửa tự động.
d. Chú ý khi dùng cảm biến:



Phía trước cảm biến có thể xuyên qua gỗ maongr hoặc nhựa nhưng không thể
xuyên qua kim loại



Phía trước và sau cảm biến nên có khoảng trống ít nhất 1 cm

2.2.4 Cảm biến hồng ngoại HC-SR501

Hình 7:Hình ảnh cảm biến HC-SR501

Module cảm biến chuyển động HC-SR501 có thể được dùng trong:
- Dùng trong cho an ninh: phát hiện người trong khoảng cách cho phép.
- Dùng để điều khiển tự động các thiết bị trong nhà khi có người: đèn điện, cửa…
a.

Lưu ý khi sử dụng module cảm biến chuyển động HC-SR501:

19


Cài đặt: Khi khởi tạo, module cần thời gian khởi tạo khoảng 1 phút. Trong thời gian
này, moudle tạo ra điện áp cao từ 1-3 lần sau đó vào chế độ chờ.
Điện áp ra 1.5-3.3V, nếu sử dụng I/O 4.5-5.5V nên lắp thêm tran.
Nên cố gắng tránh ánh sáng trực tiếp và nguồn nhiễu gần với bề mặt lăng kính của
các module, để tránh đưa ra tín hiệu nhiễu, tránh sử dụng môi trường nhiều gió.
b.

Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động : DC 4.5V – 20V.
- Đầu ra : High 3.3V/ Low 0V.
- Có 2 chế độ hoạt động:

+ L không lặp lại kích hoạt.
+ H lặp lại kích hoạt.
- Thời gian trễ: 5 – 200s
- Thời gian khóa: 2.5s (mặc định).
- Góc quét < 100 độ.
- Kích thước ống cảm biến: 23mm (mặc định).
- Nhiệt độ hoạt động: -15oC - 70oC.
- Kích thước board: 32mm*24mm.
- Khối lượng: 6g.
c. Nguyên lí hoạt động

Các cảm biến PIR luôn có sensor (mắt cảm biến) với 2 đơn vị (element). Chắn trước
mắt sensor là một lăng kính (thường làm bằng plastic), chế tạo theo kiểu lăng kính
fresnel. Lăng kính fresnel này có tác dụng chặn lại và phân thành nhiều vùng (zone) cho
phép tia hồng ngoại đi vào mắt sensor. 2 đơn vị của mắt sensor có tác dụng phân thành 2
điện cực. Một cái là điện cực dương (+) và cái kia là âm (-). Khi 2 đơn vị này được tuần
tự kích hoạt (cái này xong rồi mới đến cái kia) thì sẽ sinh ra một xung điện, xung điện
này kích hoạt sensor.

20


Kiểm soát ánh sáng (tùy chọn): Có thể lắp thêm quang trở, khi có quang trở, sẽ
thiết lặp module hoạt động ban ngày hoặc ban đêm.

Hình 8:Minh họa nguyên lý hoạt động của cảm biến

2.3.

Cơ cấu chấp hành trong hệ cửa tự động

2.3.1 Cấu tạo động cơ DC
Động cơ một chiều DC ( DC là từ
viết tắt của "Direct Current Motors") là
động cơ điều khiển trực tiếp có cấu tạo
gồm hai dây (dây nguồn và dây tiếp đất).
DC motor là một động cơ một chiều với
cơ năng quay liên tục.

Hình 9:Động cơ điện 1 chiều

21


Cấu tạo động cơ 1 chiều gồm 2 phần chính là stato (phần tĩnh) và roto (phần động)
a.

Phần tĩnh hay Stato:

Hình 10:Stato

Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:
Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây dẫn kích từ
lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép
cacbon dày 0,5mm đến 1mm được ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng
thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được
quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một
khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên
các cực từ này được nối tiếp với nhau.
Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi

chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên
thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực
từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ các bulông.
Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn
thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
Các bộ phận khác:
+ Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và
an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác
dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.
+ Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao
gồm chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than
được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để

22


điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định
chặt lại.

b.

Phần quay hay Rotor

Hình 11:Roto

Bao gồm những phần chính sau:
Lõi sắt phần ứng:
+ Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấp thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách
điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép

có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
+ Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để
khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
+ Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường được chia thành những đoạn
nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió
thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
+ Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm
thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
Dây quấn phần ứng:
+ Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có
23


công suất dưới vài kW thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn
thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của
lõi thép.
+ Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt
đai dây quấn. Nêm được làm bằng gỗ hay bakelit.
Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều, cổ góp gồm
nhiều miếng đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 mm đến 1,2 mm
và hợp thành một cục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa
vành ốp và trục tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn
các đầu dây của các phần từ dây quấn và các phiến góp được dễ dàng.
Các bộ phận khác:
+ Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo
theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, khi
động cơ quan cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt
và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.

+ Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơđiện khác là khả
năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo. Do đó,
trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ
cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều.
2.3.2 Công tắc hành trình
a. Khái niệm về công tắc hành trình:
Công tắc hành trình là thiết bị
chuyển đổi chuyển động cơ thành
tín hiệu điện. Tín hiệu của công tắc
hành trình phục vụ cho quá trình
điều khiển và giám sát.

Hình 12:Công tắc hành trình
24


b. Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình
Dùng để đóng cắt mạch dùng ở lưới điện hạ áp Nó có tác dụng giống như nút ấn
động tác ấn bằng tay được thay thế bằng động tác va chạm của các bộ phận cơ khí, làm
cho quá trình chuyển động cơ khí thành tín hiệu điện
c. Phân loại


Công tắc hành trình kiểu nút nhấn

Hình 13:Công tắc hành trình kiểu nút nhấn

Trên đế cách điện được lắp các cặp tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động. Vỏ và đầu
hành trình đều được làm bằng kim loại nên chịu lực va đập cao. Hành trình của công tắc
này đạt 10 mm. Khi tác động lên đầu hành trình , trục sẽ bị đẩy xuống dưới làm mở cặp
tiếp điểm thường đóng phía trên và cặp tiếp điểm thường mở phía dưới . Khi hết tín hiệu
hành trình (không còn lực ấn lên đầu hành trình) lò xo nhả sẽ đưa phần động về vị trí ban
đầu. Tiếp điểm động có lò xo tiếp điểm, đảm bảo tiếp xúc điện tốt. Loại công tắc hành
trình kiểu này thường đặt ở cuối hành trình
 Công tắc hành trình kiểu tác động kéo

25