THIẾT kế CHẾ tạo mô HÌNH hệ THỐNG GIÁM sát và điều KHIỂN THIẾT bị TRONG GIA ĐÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
KHOA SƯ PHẠM KĨ THUẬT
BỘ MÔN ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH
Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật Điện tử
Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Hoàng Yến
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Tùng
Mã SV: 665104055
Lớp: K66-ĐT
HÀ NỘI 2020


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình hoàn thành đồ án, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô
trong khoa Sư phạm Kĩ thuật, bộ môn Điện tử - Tin học trường đại học Sư
phạm Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn
thành đồ án một cách tốt nhất và đúng thời hạn .
Chúng em đã rất nỗ lực để hoàn thành đồ án nhưng kiến thức kinh nghiệm
vẫn còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những sai xót trong khi làm.
Em rất mong có sự đóng góp tận tình của các thấy cô cũng như các bạn để
bảm thân có thể hoàn thành, phát triển và mở rộng đề tài.
Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, nhữn người luôn
luôn ở bên và động viên tinh thần, tiếp thêm động lực để em vượt qua những
khó khăn trong học tập và trong cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày
Sinh viên

Tùng
Nguyễn Thanh Tùng

tháng

năm 2020


Contents
PHẦN MỞ ĐẦU...............................................................................................7
1. Lý do chọn đề tài..................................................................................7
2. Mục đích nghiên cứu............................................................................8
3. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................8
4. Phạm vi nghiên cứu..............................................................................8
3. Phương pháp nghiên cứu......................................................................8
4. Cấu trúc đồ án.......................................................................................9
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ...........................................................................................10
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH...............................................................10
1.1.1 Vai trò của hệ thống phân giám sát và điều khiển thiết bị trong gia
đình..........................................................................................................10
1.1.2 Sơ đồ hệ thống đếm sản phẩm:.......................................................12
1.2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH.......................................................13
Giới thiệu về Arduino............................................................................13
1.2.2 Module Relay..................................................................................26
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ...........................................................................................32

2.1. Ý TƯỞNG THIẾT KẾ......................................................................32
2.2.1. Phân tích thiết kế từng khối...........................................................34
2.3 CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐẾM SẢN PHẨM...................58
2.2.1 Quy trình làm mạch in:...................................................................58
2.3.2 Bảng vật tư linh kiện.......................................................................58
2.3.3 Quy trình lắp ráp.............................................................................59
CHƯƠNG 3: KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ............................................59
2.4 Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong gia đình......59
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................62


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Cảm biến chống trộm……………………………………………..10
Hình 1. Cảm biến báo cháy thông qua gọi điện…………………………...11
Hình 1. 3 Sơ đồ khối........................................................................................11
Hình 1. 4 Board mạch Arduino……………………………………………...14
Hình 1. 5 Giao diện Ardunio IDE…………………………………………...15
Hình 1. Chức năng của cảm biến………………………………………….16
Hình 1. Cảm biến hồng ngoại thụ động…………………………………...17
Hình 1. Mô tả hoạt động của cảm biến hồng ngoại……………………….18
Hình 1. Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại trong cuộc sống…………….23
Hình 1. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thực tế…………………………….25
Hình 1. Sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong nuôi trồng cây……..26
Hình 1. Quang trở………………………………………………………..26
Hình 1.13 : Đèn công cộng tại công viên........................................................26
Hình 1. 14 Cấu tạo chung module relay……………………………………27
Hình 1. 15 Module sim 900A v2.1…………………………………………31

Hình 2. 1 Sơ đồ khối.......................................................................................34
Hình 2. 2 Ardunio NANO…………………………………………………...35
Hình 2. Cảm biến hồng ngoại……………………………………………..38
Hình 2. 4 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm............................................................39
Hình 2. 5 Quang trở.........................................................................................39
Hình 2. 6 Module 3 relay................................................................................40
Hình 2. 7 Hình dạng của một loại LCD thông dụng.......................................42
Hình 2. 8 Sơ đồ chân của LCD.......................................................................42
Hình 2. 9 Module sim 900A............................................................................45
Hình 2. 10 Còi chip.........................................................................................46
Hình 2. 11 Adapter..........................................................................................48
Hình 2. 12 Lưu đồ thuật toán đọc giá trị cảm biến..........................................49
Hình 2. 13 Lưu đồ Truyền dữ liệu qua module sim 900A..............................50
Hình 2.14 : Các bước sử dụng mạch ……………………………………..…59
Hình

3.1

Mô

hình

thực

thành…………………………………….62

tế

khi

hoàn


DANH MỤC BẢ
Bảng 2.1. Bảng thông số Ardunio NANO…………………………………20
Bảng 2.1. 2 Bảng chân cảm biến hồng ngoại………………………………..38
Y

Bảng 2. 2 Chức năng của các chân của LCD..................................................49
Bảng 2. 3 Số lượng linh kiện...........................................................................60


PHẦN MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài

Ngày nay, khi mà cả thế giới như đang nóng lên vì sự vận động, phát triển về
mọi mặt như kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật vv....Trong đó, những ứng
dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến đã và đang làm cho thế giới ngày càng
thay đổi, văn minh hơn và hiện đại hơn. Sự phát triển của Kỹ thuật điện tử đã
tạo ra hàng lọat những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao,
tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho họat động
của con người đạt hiệu quả cao.
Là một trong những sinh viên theo học ngành điện tử-viễn thông, bản thân
cũng có những mong ước được góp một phần công sức cho xã hội bằng
những việc làm có ý nghĩa thực tế. Từ những kiến thức đã được truyền đạt sau
ba năm theo học tại trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, hoà mình vào xu
hướng chung của thời đại, cùng sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất
nước, đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống giám sát và

điều khiển thiết bị trong gia đình” ra đời.


Đề tài là sự kết hợp giữa kiến thức và nhận thức công nghệ trong việc tạo ra
một sản phẩm có giá trị thực tiễn nên có rất nhiều yêu cầu được đặt ra cho sự
hoàn thiện. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài là một quá trình làm việc
nghiêm túc và nỗ lực của bản thân người thực hiện, cùng sự chỉ dẫn nhiệt tình
của giáo viên hướng dẫn; song chắc chắn không tránh khỏi những hạn chế và
thiếu sót. Người thực hiện đề tài rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
quý báu cùng những phê bình, chỉ dẫn của Thầy Cô và các bạn sinh viên.
2.

Mục đích nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu về mô hình hệ thống giám sát và điều
khiển thiết bị trong gia đình
3.

Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu về module arduino nano ATMG 328 , cảm biến vật cản HN,
cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT 11, cảm biến ánh sáng, modul sim 900A
được hiển thị thông qua màn hình LCD 16x2 và module 3 Relay
- Nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị
trong gia đình
4.

Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu: Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong

gia đình
- Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu thực tiễn góp phần định hướng cho đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của một số mạch
điều khiển
- Nghiên cứu phương án, từ đó đưa ra giải pháp hiệu quả
- Chế tạo mạch và kiểm nghiệm, đánh giá.


- Tìm hiểu về Aduino, LCD 16×2, cảm biến hồng ngoại, cảm biến quang, cảm
biến nhiệt độ và độ ẩm
- Tìm hiểu về Module 3 Relay .
- Tìm hiểu về Module sim 900A
- Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị
3.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài đã sử dụng các nhóm phương pháp nghiên cứu sau:
+ Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.
+ Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tiễn để khảo sát thực
trạng giám sát và điều khiển các thiết bị trong gia đình hiện nay để đưa ra ý
tưởng sản phẩm
+ Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết cho
đề tài.
+ Phương pháp thực nhiệm để khảo sát ứng dụng của đề tài, kiểm nghiệm và
đánh giá mô hình tạo ra.
4.

Cấu trúc đồ án

- Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung chính
của đồ án gồm 3 chương chính như sau:
* CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐẾM SẢN PHẨM.
* CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH
* CHƯƠNG 3: KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
1.1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT

BỊ TRONG GIA ĐÌNH
1.1.1 Vai trò của hệ thống phân giám sát và điều khiển thiết bị trong gia
đình
Điều khiển và giám sát từ xa là một quá trình cho phép theo dõi và điều khiển
các thiết bị trong gia đình từ một khoảng cách rất xa mà không cần trực tiếp
điều khiển. Trong thời đại hiện nay, con người sử dụng rất nhiều thiết bị điện
tử nhằm hỗ trợ và phục vụ nhu cầu cá nhân,gia đình. Bên cạnh đó việc giám
sát và kiểm tra các thiết bị một cách thuận tiên, đơn giản và nhanh chóng.
Chính vì lẽ đó mà con người luôn tìm tòi mọi phương pháp để giảm giá thành
sản phẩm và đó là cơ sở cho ngành tự động hóa ra đời. Một trong những động
lực cho sự phát triển của tự động hóa đó là tăng tính chính xác của sản phẩm,
nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu rủi ro cháy nổ trong gia đình.
Người ta từ lâu đã nhận ra rằng con người không thể sánh bằng máy móc về
khả giám sát và cảnh báo đặc biệt là các loại máy móc tự động. Vì vậy việc ra
đời của những thiết bị giám sát và điều khiển các thiết bị trong gia đình là cần

thiết
Sử dụng các thiết bị giám sát và điều khiển vật dụng trong gia đình đã làm
cho việc quản lí trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi khả
năng kiểm tra,giám sát từ xa mà không cần trực tiếp tham gia vào quá trình.
Ngoài ra giám sát và điều khiển các thiết bị trong gia đình từ xa cũng giúp
giảm chi phí về thời gian và đi lại ,….
Ngày nay, với rất nhiều thiết bị được làm ra nhằm phục vụ nhu cầu sinh hoạt
của con người và việc kiểm soát những thiết bị đó có thể gặp khó khăn khi
không trực tiếp điều khiển . Chính vì lẽ đó mà buộc con người phải chế tạo ra
một thiết bị hỗ trợ việc giám sát và điều khiển các thiết bị khác trong gia đình.


Với tầm quan trọng như thế, thiết kế thiết bị có thể giám sát và điều
khiển mọi thiết bị khác trong gia đình thông qua mạng điện thoại GSM rất
được các quốc gia trên thế giới quan tâm bởi có thể giảm thiểu tối đa hậu quả
khi xảy ra sự cố với thiết bị trong gia đình
Xuất phát từ đợt thực tập tại Trường Cao Đẳng Cơ Điện Hà Nội, và
thấy
được các thiết bị tại các khu vực trường học, nơi công cộng, em thấy rằng việt
sử dụng module sim để gửi tin nhắn cảnh báo tới người giám sát là cần thiết

Hình 1. 1 Cảm biến chống trộm


Hình 1. 2 Cảm biến báo cháy thông qua gọi điện
1.1.2 Sơ đồ hệ thống đếm sản phẩm:


Sơ đồ khối

KHỐI CẢM
BIẾN

KHỐI TRUYỀN
THÔNG

KHỐI HIỂN THỊ

KHỐI XỬ LÝ
TRUNG TÂM

KHỐI CHẤP
HÀNH

KHỐI NGUỒN

Hình 1. 3 Sơ đồ khối


Nhiệm vụ của từng khối

Khối nguồn: Cung cấp điện áp cho toàn hệ thống, có vai trò quan trọng nếu
điện áp và dòng điện không ổn định sẽ gây ảnh hưởng tới hoạt động toàn bộ
linh kiện trong mạch. Nguồn đầu vào 220V AC-50/60Hz tạo nguồn 1 chiều
5V DC–2A cung cấp cho toàn mạch.


Khối cảm biến màu sắc: Thực hiện và phát hiện vật đi qua,phát hiện nhiệt độ
vượt quá ngưỡng quy định, xác định thời gian, gửi tín hiệu về khối xử lý trung
tâm

Khối xử lý trung tâm: Tiếp nhận tín hiệu từ khối cảm biến màu sắc thực hiện
xử lý tính toán các giá trị ADC, gửi tín hiệu đến khối chấp hành.
Khối truyền thông: Tiếp nhận tín hiệu từ khối xử lí trung tâm và gửi tin nhắn,
hoặc gọi điện để báo hiệu cho mình hoặc nhận tín hiệu tin nhắn từ mình rồi
gửi lại về khối xử lí trung tâm
Khối chấp hành: tiếp nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, hiển thị trên LED,
đồng thời nhận tín hiệu từ khối xử lí trung tâm để điều khiển các thiết bị trong
gia đình
1.2

CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH
Giới thiệu về Arduino

Hình 1. 4 Board mạch Arduino


Arduino là một board mạch điện tử sử dụng vi xử lý, nhằm xây dựng lên các
ứng dụng tương tác với nhau hoặc tương tác với môi trường được thuận lợi
hơn. Phần cứng gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng
chip vi xử lý AVR Atmel 8-bit, hoặc chip ARM Atmel 32-bit. Những Model
hiện tại được trang bị 1 cổng giao tiếp USB, 8 chân cắm đầu vào analog, 14
chân Intput, Output kỹ thuật số tương thích với nhiều loại board mở rộng khác
nhau.
Được ra mắt vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino đã cố gắng mang
đến một phương thức đơn giản, dễ dàng sử dụng, không tốn kém cho những
người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp tạo ra những thiết bị có khả
năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và qua các cơ cấu
chấp hành. Các ví dụ phổ biến cho những người mới bắt đầu bao gồm các

robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với
Arduino là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các nền tảng
máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng có thể viết các
chương trình điều khiển Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Một mạch Arduino thường bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh
kiện được thêm vào giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch
khác. Khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của board,
nó cho phép người dùng kết nối với CPU của board cùng các module thêm
vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Các shield truyền thông
với board Arduino được trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều
shield được định địa chỉ thông qua một serial bus I2C-nhiều shield đồng thời
được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino thường sử dụng
các dòng chip megaAVR như: AT 8, AT 168, AT 328, AT 1280, và AT 2560.
Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Arduino tương
thích. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính với mức điện áp


5V và một thạch anh dao động với tần số 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng
ceramic trong một vài biến thể), một vài thiết kế như LilyPad chạy tại f =
8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do có sự hạn chế về kích cỡ
thiết bị. Một board Arduino cũng có thể được nhúng lập trình sẵn với một
boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash onchip, đối với các thiết bị khác thường sẽ cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này
giúp cho việc sử dụng board Arduino được trực tiếp bằng cách cho phép sử
dụng 1 máy tính cá nhân như là một bộ nạp chương trình.
2.1.2. Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:
Digital:
Các board mạch Arduino đều có các cổng digital có thể cấu hình làm ngõ vào
hoặc ngõ ra tùy việc người dùng lập trình. Do đó người dùng có thể linh hoạt
trong việc quyết định số lượng ngõ vào và ngõ ra trên board.
Tổng số lượng cổng digital trên các board dùng Atmega328 là 14, và trên

Atmega2560 là 54.
Analog:
Các board Arduino đều được trang bị các ngõ vào analog với độ phân giải 10bit (1024 phân mức, với điện áp chuẩn là 5V thì độ phân giải khoảng 0.5mV).
Đối với Atmega328 số lượng cổng vào analog là 8 , và 16 đối với
Atmega2560.
Với tính năng đọc tín hiệu analog, người dùng có thể đọc dữ liệu nhiều loại
cảm biến như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, gyro, accelerometer…
2.1.3 Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:
Digital output:
Tương tự như các cổng vào digital, người dùng có thể cấu hình chúng bằng
lập trình để quyết định dùng cổng digital nào là ngõ ra.
Tổng số lượng cổng digital trên các board Arduino dùng Atmega328 là 14, và
trên Atmega2560 là 54.


PWM output:
Trong số những cổng digital của Arduino, người dùng có thể chọn một số
cổng dùng để xuất tín hiệu điều chế xung PWM. Độ phân giải của tín hiệu
PWM là 8-bit.
Số lượng cổng PWM đối với các board dùng Atmega328 là 6, và đối với các
board dùng Atmega2560 là 14.
PWM có rất nhiều ứng dụng trong viễn thông, xử lý âm thanh hoặc điều khiển
động cơ, phổ biến nhất là động cơ servos trong các mô hình.
2.1.4 Chuẩn Giao tiếp
Serial:
Đây là chuẩn giao tiếp được dùng rất phổ biến trên các board Arduino. Mỗi
board Arduino được trang bị một số cổng Serial cứng (việc giao tiếp do phần
cứng trong chip thực hiện). Bên cạnh đó, tất cả các cổng digital còn lại đều có
thể thực hiện giao tiếp nối tiếp thông qua phần mềm (có sẵn thư viện chuẩn,
người dùng không cần phải tự viết code). Mức tín hiệu của các cổng này là

TTL 5V. Đối với cổng nối tiếp RS-232 trên các thiết bị hoặc PC có mức tín
hiệu là UART 12V. Để giao tiếp được giữa hai mức tín hiệu này cần phải có
bộ chuyển mức điện áp (ví dụ: chip MAX232).
Số lượng cổng Serial cứng của board Arduino sử dụng Atmega328 là 1 và của
Atmega2560 là 4.
Với tính năng giao tiếp nối tiếp, các board Arduino có thể giao tiếp được với
rất nhiều thiết bị khác như touchscreen, PC, các game console…
USB:
Các board Arduino tiêu chuẩn đều có trang bị cổng USB để thực hiện kết nối
với máy tính dùng cho việc nhúng chương trình. Tuy nhiên các chip AVR
không có cổng USB, do đó các board Arduino phải trang bị thêm bộ phận
chuyển đổi từ USB thành tín hiệu UART. Do đó máy tính nhận diện cổng
USB này là cổng COM chứ không phải là cổng USB thông thường.


2.1.5. Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển Ardunio
- Các boad Arduino đều được hộ trợ lập trình bằng phần mềm Arduino IDE,
phần mềm này có thể tải trực tiếp từ trang chủ Arduino.cc.

Hình 1. 5 Giao diện Ardunio IDE
- Phần mềm này là một trình biên dịch code đơn giản và dễ sử dụng cho
mọi người. Phần mềm này có thể biên dịch tự động code C hoặc code AVR,
có thể tự kiểm tra và thông báo chính xác vị trí và lỗi sai của câu lệnh bị sai
cú pháp, có thể xuất ra file hex và file binary hoặc nạp trực tiếp lên boad.
- Phần mềm này có rất nhiều thư viện hỗ trợ do người dùng xây dụng nên.
- Nhược điểm của phần mềm này là chưa có chế độ tự động hoàn thiện cú
pháp của các câu lệnh, tệp biên soạn phải để riêng trong một thư mục, các thư
mục mẹ không được có tiếng việt có dấu.
Các nhóm cấu trúc lệnh cơ bản
Các chương trình Arduino có thể được chia thành : nhóm cấu trúc, nhóm biến

và hằng , nhóm hàm.
Trên trang Arduino.cc có đầy đủ và chi tiết các hàm, lệnh, phép toán cùng
cách thức sử dụng cũng như các ví dụ đi kèm. Chúng ta sẽ tìm hiểu các hàm
cơ bản trước: setup(); loop () ; pinMode(); digitalRead(); digitalWrite();
analogWrite(); …


2.1Khái quát 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 lí
được.

Đại lượng
cần đo (m)

Cảm biến

Đại lượng
điện (s)

Hình 1. 4 Chức năng của cảm biến
Các đại lượng cần đo m là các đại lượng vật lí như nhiệt độ, áp suất… Khi đo
đại lượng m này ta nhận được đại lượng điện s tương ứng ở đầu ra. Việc đo
đạc m được thực hiện bằng cảm biến. Đại lượng điện s là hàm của đại lượng
cần đo m:
s = F (m)
Biểu thức trên biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời biểu diễn sự phụ
thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến, vào môi trường và chế độ sử dụng.
Để dễ sử dụng người ta chế tạo cảm biến sao cho biến thiên đầu ra tuyến tính
với biến thiên đầu vào:

∆s = S.∆m (Trong đó: S- độ nhạy của cảm biến)
Một cảm biến tốt phải có độ nhạy S không đổi, ít phụ thuộc vào các yếu tố
sau:
-

Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số biến đổi của nó

(dải thông).
Thời gian sử dụng.
Ảnh hưởng từ các đại lượng vật lí khác (nhiễu) của môi trường xung
quanh.
a)
Cảm biến hồng ngoại
Khái niệm : Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) là một thiết bị điện tử đo và
phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh
Phân loại cảm biến hồng ngoại:


-

Cảm biến thụ động
Cảm biến chủ động

Có hai loại cảm biến hồng ngoại: chủ động và thụ động. Cảm biến hồng ngoại
hoạt động cả phát ra và phát hiện bức xạ hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại
chủ động có hai phần: diode phát sáng (LED) và máy thu. Khi một vật thể đến
gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể và
được người nhận phát hiện. Cảm biến hồng ngoại hoạt động đóng vai trò
là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát
hiện chướng ngại vật

Hình 1. 5 Cảm biến hồng ngoại thụ động
Thông số kỹ thuật :
Điện áp: 3.3V - 6VDC
Dòng tiêu thụ:
Vcc = 3.3V: 23 mA
Vcc = 5.0V: 43 mA
Góc hoạt động: 35°
Khoảng cách phát hiện: 2 ~ 30 cm
LED báo nguồn và LED báo tín hiệu ngõ ra
Mức logic ngõ ra:
Mức thấp - 0V: khi có vật cản
Mức cao - 5V: khi không có vật cản


Kích thước: 3.2cm x 1.4cm
Module cảm biến này(hình 4) có 3 chân:
- Chân GND. 0V
- Chân VCC chân cấp nguồn 3.3V / 5V DC cho module cảm biến.
- Chân OUT chân xuất tín hiệu digital, chân này chỉ xuất ra tín hiệu điện áp
ở mức logic 0 hoặc 1, nó điều chỉnh ngưỡng độ ẩm để xuất tín hiệu bằng biến
trở tích hợp sẵn trên module cảm biến.
Nguyên tắc hoạt động: Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản ở môi trường
với một cặp LED thu phát hồng ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại.
Tia hồng ngoại phát ra với tần số nhất định, khi có vật cản trên đường truyền
của LED phát nó sẽ phản xạ vào LED thu hồng ngoại, khi đó LED báo vật
cản trên module sẽ sáng, khi không có vật cản, LED sẽ tắt.
Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cách
này có thể điều chỉnh thông qua chiết áp trên cảm biến cho thích hợp .

Hình 1. 6 Mô tả hoạt động của cảm biến hồng ngoại


Vì cảm biến hoạt động bằng cách tìm kiếm ánh sáng phản xạ, có thể có một
cảm biến có thể trả về giá trị của ánh sáng phản xạ.
Ứng dụng : giúp mở của tự động , hiện nay có nhiều thiết bị cảm biến hồng
ngoại được lắp đặt kèm theo chế độ mở cửa tự động giúp cho người dùng có
thể tiện lợi và linh hoạt hơn khi sử dụng các thiết bị này

Lưu ý khi lắp đặt cảm biến hồng ngoại
Khi lắp đặt cần chú ý những vấn đề sau:
- Không hướng mắt sensor về phía dàn nóng máy lạnh. Vì dàn nóng máy lạnh
khi hoạt động thường có nhiệt độ cao, tia bức xạ hồng ngoại của nó phát ra sẽ
gây nhiễu cảm biến, khiến nó hoạt động không chính xác.
- Không hướng mắt sensor về phía cửa sổ có rèm che. Theo tôi, lý do của việc
này là để tránh báo động giả. Khi cửa sổ mở, nhiều nguồn nhiệt xâm nhập,
rèm che gặp gió sẽ có thể gây nhiễu cảm biến vi sóng.
- Không lắp đặt cảm biến PIR trong nhà ra ngoài trời. Cảm biến PIR loại
trong nhà không có tính năng chịu mưa nắng, để ngoài trời dù không trực tiếp
gặp mưa nắng, nó cũng dễ bị hỏng dần chất liệu vỏ, lăng kính fresnel, khiến
chức năng hoạt động kém dần đi.
- Không hướng trực tiếp mắt sensor về nơi nhiều nắng mặt trời. Tia mặt trời
có nhiều bức xạ hồng ngoại, khiến sensor bị nhiễu.
- Không nên đặt sensor gần dây điện nguồn. Cảm biến PIR là một thiết bị điện
tử, hoạt động ở điện áp thấp nên hạn chế đặt gần điện nguồn cao áp.
- Không nên hướng mắt sensor ra phía cổng sát đường đi. Lý do đơn giản là
để tránh báo động giả không đáng có do người khác đi bộ hoặc chạy bộ ngang
qua cổng. Sensor có thể lầm với việc đột nhập.- Không lắp sensor trên tường
bị rung. Điều này giúp sensor hoạt động ổn định hơn

Khi sử dụng cần chú ý:
- Để sử dụng đúng và có hiệu quả, cần có hiểu biết về nguyên lý hoạt động
của các thiết bị cảm biến hồng ngoại.
- Trước hết cần phải làm rõ ý nghĩa đầy đủ của chữ “hồng ngoại” của cảm
biến. Thực ra phải gọi chính xác là “hồng ngoại thụ động” (Passive Infrared,
thường viết tắt là PIR). Hồng ngoại chủ động (Active Infrared) là nói đến một
vật thể bức xạ ra tia hồng ngoại. Cảm biến chúng ta thường dùng nhận tia
hồng ngoại phát ra từ thân thể người (Hoặc nguồn nhiệt bất kỳ) chứ bản thân
nó không tự phát ra tia hồng ngoại, sau đó phân tích để xác định điều kiện báo
động.
Vậy nên nó là thụ động.
Trong hướng dẫn lắp đặt của hầu hết mọi nhà sản xuất cảm biến PIR đều
có ghi chú về các vị trí lắp cảm biến cần tránh. Nếu không để ý kỹ, người lắp
đặt sẽ dễ phạm phải. Kết quả là cảm biến có khi không hoạt động đúng chức
năng, có khi lại báo động giả.
 Đặt đầu báo tại nơi kẻ đột nhập phải đi qua, hoặc tại nơi tạo ra một cái
bẫy với kẻ gian.
 Đặt đầu báo với độ cao đúng như tài liệu kỹ thuật chỉ dẫn.
 Tính toán vùng cảm nhận của đầu báo sao cho phù hợp với vùng cần
cảm nhận theo yêu cầu.
 Tránh những vùng khuất (điểm mù) tại nơi lắp đặt, khiến đầu báo
không thể phát hiện được chuyển động.
 Kiểm tra khả năng cảm nhận của đầu báo sau khi lắp đặt.


 Do đầu báo động hồng ngoại nhạy cảm với năng lượng hồng ngoại, cần
lưu ý tránh các nguồn phát nhiệt, dễ gây ra báo động giả như: Gần cửa,
điều hoà, lỗ thoát khí, bếp lửa và ánh sáng mặt trời.
 Công nghệ giúp phân biệt vật nuôi

Với kích thước đủ lớn và phát tia hồng ngoại phủ kín 2 vùng (zone) lớn
hoặc 4 zone nhỏ, mắt sensor mới được kích hoạt. Với các động vật kích thước
nhỏ, dù có chuyển động và dừng trước cảm biến đủ lâu để bức xạ đủ lượng
hồng ngoại, nhưng không phủ kín được các vùng yêu cầu, mắt sensor cũng
không kích hoạt.

Hình 1. 7 Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại trong cuộc sống
b)

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm


Hình 1. 8 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thực tế
Khái niệm : Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (IR Sensor) là một thiết bị điện tử
đo sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm ngoài môi trường
-Nguyên lý làm việc:
- Sự thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm bên ngoài sẽ được đo lại và chuyển thành
tín hiệu điện truyền vào mạch xử lý
- Ứng dụng Dùng chủ yếu trong gia đình và nông trại để đo và kiểm tra sự
thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm trong một khu vực.


Hình 1. 9 Sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong nuôi trồng cây
c)

Quang trở

Định nghĩa : Quang trở là loại “vật liệu” điện tử rất hay gặp và được sử dụng
trong những mạch cảm biến ánh sáng. Có thể hiểu một cách dễ dàng, quang
trở là một loại ĐIỆN TRỞ có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng. Nếu

đặt ở môi trường có ít ánh sáng, có bóng râm hoặc tối thì điện trở của quang
trở sẽ tăng cao còn nếu đặt ở ngoài nắng, hoặc nơi có ánh sáng thì điện trở sẽ
giảm.

Hình 1. 10 Quang trở
Thông số kỹ thuật :