Đồ án: Xây dựng hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động PIR (có code đầy đủ)

DANH MỤC
HÌNH
ẢNH
Bợ Cơng
Thương
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỢI
Khoa Cơ Khi

--------

ĐỜ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng
cảm biến chuyển động PIR

Giáo viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Văn Trường
Nhóm SV

:

Lớp

: Cơ điện tử

Khoá

: 13

Hà Nội,
2 05/11/2020

DANH MỤC BẢNG BIỂU

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong xu hướng phát triển không ngừng của nền công nghệ những thập kỉ
qua, công nghệ điện tử cũng ngày càng phát triển vượt bậc. Các vi mạch với khả
năng tích hợp ngày càng lớn, tốc đợ xử lý được tăng cao, chính xác hơn và giá
thành rẻ hơn. Ban đầu, các IC được chế tạo với những chức năng chuyên dụng, dần
dần, yêu cầu một linh kiện đa năng ra đời. Vi xử lý là một linh kiện cho phép hoạt
đợng theo mợt chương trình mà người sử dụng đặt ra, được ứng dụng trong rất
nhiều lĩnh vực.
Đời sống xã hội ngày một thay đổi, bên cạnh những tiến bợ thì các vấn đề
cũng nảy sinh càng nhiều, đặc biệt là khi quy mô hoạt động của tổ chức được mở
rộng. Trong nhiều trường hợp, việc quản lý trở nên vơ cùng khó khăn khi số lượng
đối tượng quản lý quá lớn, làm cho hoạt động bị đình trệ, mất nhiều thời gian mà
lại khơng hiệu quả. Do đó, mợt hệ thống tự đợng điều tiết sẽ giúp cho con người dễ
dàng hơn trong việc giám sát, đảm bảo tính cơng bằng, và đặc biệt là sự tiến bộ
trong các hoạt động xã hội.
Bằng một ý tưởng có tính ứng dụng cao ngoài thực tế, chúng em lựa chọn đề
tài “ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM SỬ DỤNG CẢM BIẾN
CHUYỂN ĐỘNG PIR ”. Hệ thống có khả năng tự đợng cảnh báo bằng chng khi
có trợm. Đây là hệ thống được ứng dụng ở các nhà kho, hợ gia đình, nó cịn cảnh
báo cho cư dân trong tòa nhà ... nơi mà cần hệ thống bảo mật tốt mỗi ngày. Ngoài
ra, hệ thống này là giải pháp tốt cho các thiết bị cần bảo mật ở các cơng ty, bệnh
viện, cơ quan hành chính, cơ quan Thuế & Hải quan, các công ty Bảo hiểm, Ngân
hàng và chứng khoán, các Trung tâm dịch vụ, nhà ga-bến xe. Dưới sự kiểm sốt
của hệ thống này, q trình bảo mật sẽ trở nên tốt hơn và hiệu quả hơn.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1. Giới thiệu chung
Như chúng ta đã biết, trong thời gian gần đây tình trạng trộm cắp đã trở nên tinh vi
và phổ biến tại Việt Nam. Các vụ việc trên không những gây thiệt hại lớn về tiền,
tài sản của các gia đình, tạo ra sự lo lắng cho nhiều người, mà còn ảnh hưởng đến
trật tự an toàn xã hội. Sau hàng loạt vụ việc trên nhiều gia đình đã có biện pháp
tăng cường lắp đặt các hệ thống báo trộm cho gia đình. Tuy nhiên những biện pháp
đó đơi khi cũng không phát huy được nhiều tác dụng.
Từ những yêu cầu thực tế đó, những địi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng
với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng em đã chọn đề tài
“Hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động PIR ” nhằm
đáp ứng được nhu cầu phát hiện và cảnh báo sớm đến thoại người dùng và góp
phần vào sự tiến bợ, văn minh, hiện đại của gia đình và toàn xã hợi.
1.2. Các u cầu cơ bản
Từ ý tưởng ban đầu, dựa vào những kiến thức đã được học, nhóm bắt đầu tiến hành
tìm hiểu những lý thuyết liên quan và sau đó bắt tay vào thiết kế và thi công mạch
thực tế với các yêu cầu cơ bản cho hệ thống như sau:
- Phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại (con người, con
vật, các vật phát nhiệt, ...) trong phạm vi nhất định.
- Báo đợng bằng cịi chip.
- Chỉnh được độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức
xạ của vật thể mong muốn.
- Chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín hiệu bao lâu sau khi kích hoạt) qua biến trở tích
hợp sẵn.
- Gửi cảnh báo đến điện thoại người dùng.

5


1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
*Phương pháp
Q trình thực hiện đồ án của nhóm trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, ứng với
mỗi giai đoạn cần đưa ra một phương pháp nghiên cứu phù hợp để công việc được
giải quyết nhanh và hiệu quả.
+ Trong giai đoạn đầu của đồ án, nhóm tìm hiểu những vấn đề hiện nay, đưa ra
những ý tưởng ban đầu, đánh giá mức đợ khả quan của đề tài, từ đó lựa chọn đề tài
phù hợp cho nhóm.
+ Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm tiến hành tìm hiểu những nợi dung lý thuyết liên
quan. Việc tìm hiểu các đề tài liên quan đến nội dung đồ án là khá quan trọng vì nó
giúp nhóm bước đầu xây dựng được mơ hình tổng quát và lựa chọn được giải pháp
thiết kế phù hợp với đề tài, qua tìm hiểu, chúng em cũng nhận ra được những
những mặt còn hạn chế của những đề tài trước đó, từ đó có những hướng phát triển
mới mẻ hơn.
+ Sau khi xây dựng thành công sơ đồ khối tổng quát, chúng tôi lần lượt đi vào thiết
kế từng khối trong sơ đồ.
+ Để đánh giá hoạt đợng của hệ thống, chúng em đưa ra các tình huống mà hệ
thống sẽ gặp phải trong quá trình vận hành và tiến hành kiểm tra. Từ kết quả thực
nghiệm nhận được, nhóm tiến hành hiệu chỉnh lại hệ thống, sau đó tiến hành lại
các bước thử nghiệm như ban đầu. Quá trình tiếp tục cho đến khi hệ thống vận
hành theo đúng yêu cầu đã đặt ra.
*Phạm vi
“Hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động PIR” hoàn thành
sẽ góp phần vào việc ổn định an ninh xã hợi, giảm thiểu thời gian và chi phí cho
việc bảo vệ các tài sản cá nhân, tập thể, các cơ quan xí nghiệp… Đồng thời là mợt
giải pháp phù hợp với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại ngày nay, khi
mà một người từ một vị trí bất kì nơi đâu đều có thể gián tiếp bảo vệ tài sản của

mình
thơng qua mạng điện thoại.
*Giới hạn nghiên cứu
Đi sâu nghiên cứu:
- Dùng Arduino Uno R3 làm bợ điều khiển xử lí tín hiệu.
- Dùng cảm biến PIR HC-SR501 để cảm biến có trợm đưa vào vi xử lí điều khiển.
6


- Dùng Module SIM800L gọi điện cảnh báo cho người dùng.
- Dùng đèn LED và Buzzer để báo động.
1.4 Ý nghĩa thực tiễn
Ngày nay đi cùng với sự phát triển của hiện đại, việc bảo mật đã trở nên quen
thuộc và thông dụng đối với người dân Việt Nam. Tuy nhiên trong thời gian gần
đây tình trạng cắt trợm, đục phá các gia đình, cơ quan... diễn ra thường xun
khơng những ảnh hưởng tới tài sản, uy tín của các cơng ty mà cịn ảnh hưởng đến
an ninh trật tự xã hợi.
Từ những nhu cầu thực tế đó, nhóm em muốn đưa ra giải pháp thiết kế một hệ
thống giám sát cho các gia đình, cơ quan thơng qua c̣c gọi, đề tài lấy cớ sở là
cuộc gọi để cảnh báo người dùng. Việc sử dụng cuộc gọi để cảnh có những thuận
lợi là nhanh chóng, hiệu quả cao, mang tính cạnh tranh và cơ đợng cao (nghĩa là
chỗ nào có phủ sóng mạng điện thoại di đợng ta cũng có thể nhận dược thơng báo).
Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng
khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp

7


CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Nguồn

Cảm biến PIR

Bợ xử lí trung tâm
(Arduino)

Nguồn

Cịi báo
đợng

Module
Sim800L

Gọi điện thoại
đến số chủ

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
a) Khái niệm cảm biến chuyển động : Cảm biến chuyển động là một thiết bị phát
hiện chuyển động vật lý trên thiết bị hoặc trong môi trường. Nó có khả năng phát
hiện và nắm bắt các chuyển động vật lý hoặc động học trong thời gian thực.
Một cảm biến chuyển đợng cịn được gọi là mợt máy phát hiện chuyển động.
Tùy thuộc vào khả năng của cảm biến chuyển đợng, nó có thể phát hiện chuyển
đợng trong thiết bị được tích hợp hoặc mơi trường xung quanh. Nó thường được
kết nối với mợt hệ thống hoặc phần mềm xử lý chuyển động thành một hành động
hoặc thông tin
8

b) Phân loại cảm biến chuyển động:
Cảm biến chuyển động có thể được chia thành 4 loại như sau:
-Cảm biến chuyển đợng rada (vi sóng)
-Cảm biến chuyển đợng siêu âm
-Cảm biến chuyển động công nghệ kép
-Cảm biến chuyển động hồng ngoại
c) Phân tich từng loại cảm biến và lựa chọn loại thich hợp cho nghiên cứu
- Cảm biến chuyển động rada (vi sóng)[1]: hoạt đợng dựa trên hiệu ứng doppler,
tần số 5.8 Ghz dưới 10m sẽ nhận tín hiệu khi người,vật chuyển đợng qua và sẽ
phản hồi lại đóng tiếp điểm mạch điện lại cấp nguồn cho đèn sáng. Cảm biến rada
có khả năng cảm biến xuyên vật cản như tường mỏng, gỗ, kính....
(Hiệu ứng Doppler là mợt hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian Andreas
Doppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay
các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển đợng tương đối với
người quan sát.)

Hình 1: Nguyên lí hoạt động cảm biến chuyển động Rada
+ Ưu điểm: ► Đợ nhạy cao
►Có khả năng phát hiện chuyển đợng nhỏ xun tường mỏng, gỗ,
nhựa, …
►Cảm biến có góc qt rợng: 360 đợ, khơng điểm chết
9


►Cảm ứng với khoảng cách 6 – 8m.
►Không phụ thuộc cảm biến vào nhiệt độ môi trường, hoạt động
được trong môi trường khắc nghiệt.
+ Nhược điểm: Với ưu điểm độ nhạy cao cũng là mợt nhược điểm rất lớn vì dễ bị
nhầm lẫn khi phát hiện vật chuyển động.

- Với đề tài làm về cảm biến chuyển động chống trộm sử trong hợ gia đình, văn
phịng, … thì nhược điểm này ảnh hưởng lớn đến hiệu quả sử dụng cảm biến. Cảm
biến rada rất dễ bị nhầm lẫn với thú cưng nuôi trong nhà, các thiết bị điện tử tự
động như robot qt dọn, .... Vì vậy nhóm em khơng sử dụng cảm biến rada (Vi
sóng) trong nghiên cứu xây dựng hệ thống chống trộm.
- Cảm biến chuyển động siêu âm [2]: là 1 loại cảm biến hoạt động dựa trên sóng
siêu âm, hoạt đợng dựa trên ngun tắc cho và nhận, tức là bản thân cảm biến sẽ
phát ra sóng liên tục với tốc đợ của sóng siêu âm. Khi bước sóng này gặp vật
cản sẽ phản hồi lại bước sóng này, cảm biến siêu âm sẽ nhận lại bước sóng phản
hồi này đồng thời phân tích để biết được khoảng cách từ vật cản tới cảm biến

Hình 2: Nguyên lí hoạt động cảm biến chuyển động siêu âm
+ Ưu điểm:
►Đợ chính xác cao, đo được khoảng cách xa.
►Khơng cần tiếp xúc mà vẫn cảm biến được nên được dùng nhiều trong nhà
máy.
10


+ Nhược điểm:
►Các loại cảm biến này thường có khả năng chịu được nhiệt đợ và áp suất
khơng cao.
►Có 1 khoảng cách mà thông thường cảm biến siêu âm không đo được:
được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm. Khoảng cách này thường nằm
phía dưới bợ phận phát sóng. Khoảng cách xa hay gần là tùy tḥc vào nhà
sản xuất.
►Giá thành khá cao.
- Hoạt động dựa trên nguyên tắc thu nhận, nên cảm biến chuyển động siêu âm
rất dễ bị ảnh hưởng, nhầm lẫn người với vật thể. Hơn nữa, cảm biến này cịn
có vùng mù. Đó chính là một nhược điểm rất lớn khiến cho cảm biến hoạt

động không hiệu quả trong việc chống trộm.
-Cảm biến chuyển đợng cơng nghệ kép: Loại cảm biến này tích hợp cùng lúc nhiều
công nghệ cảm biến khác nhau, đem đến kết quả hoạt đợng và khả năng cảm biến
nhạy, chính xác hơn.
Cảm biến chuyển động công nghệ kép rất nhạy và có đợ chính xác rất cao nên
thường được sử dụng trong công nghiệp, hay những thiết bị công nghệ cao. Vì vậy
giá thành tương đối cao.
Đề tài mà nhóm nghiên cứu là xây dựng hệ thống chống trộm sử dụng cảm biến
chuyển động, hướng tới đối tượng: các hộ gia đình, văn phịng, … có qui mơ nhỏ.
Việc sử dụng cảm biến chuyển động công nghệ kép là không cần thiết mà giá thành
lại cao.
-Cảm biến chuyển động hồng ngoại [3]: Cảm biến chuyển động hồng ngoại được
chia làm 2 loại nhỏ:
+ Cảm biến chuyển động hồng ngoại chủ đợng (tích cực): có ngun lí giống với
cảm biến siêu âm, bao gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát có sẽ phát ra mợt chùm tia
sáng hồng ngoại đến bộ thu đặt ở xa. Bộ thu sẽ liên tục nhận chùm tia năng lượng
hồng ngoại từ bộ phát. Năng lượng này được chuyển đổi thành dòng điện nhờ các
tế bào quang điện. Nếu bộ thu không nhận được năng lượng hồng ngoại từ bộ phát
do chùm tia hồng ngoại bị che chắn, thiết bị báo động sẽ ngay lập tức chuyển sang
chế độ cảnh báo.
Cảm biến chuyển động hồng ngoại tích cực gồm 2 loại:
11


►Loại đơn tia: thường được sử dụng chống đột nhập, cự li gần cửa sổ hoặc cửa ra
vào. Với phạm vi sử dụng hẹp, rất dễ nhầm lẫn khi chỉ cần một vật thể chặn đi tia
đơn cũng gây ra báo động giả.
►Loại đa tia: được sử dụng chống đột nhập cho các khoảng cách lớn, ngoài trời,
như hàng rào (khi các tác nhân gây báo động giả nhiều hơn). Khơng thích hợp để
sử dụng chống trợm trong nhà, văn phịng.

+ Cảm biến chuyển đợng hồng ngoại thụ đợng (PIR): Cảm biến hồng ngoại không
tự phát ra tia hồng ngoại mà nó nhận tia hồng ngoại phát ra từ thân thể người và
vật. Khi có mợt đối tượng đi qua, PIR sẽ phát hiện được thay đổi của nhiệt độ mà
đưa ra cảnh báo.
PIR có khả năng phân biệt được cả chuyển đợng của người và đồ vật. Góc qt
rợng 360 đợ, hoàn toàn có thể điều chỉnh được góc cảm ứng theo ý muốn của mình
và sử dụng vách ngăn để tránh vùng không muốn cảm ứng. Tuy nhiên khơng thể
cảm biến xun vật cản. Chính vì cơng nghệ này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ để
cảm biến nên tại mơi trường có nhiệt đợ cao thì cảm biến càng kém nhạy.
Chính vì khả năng cảm biến tia hồng ngoại một cách thụ động, giá thành rẻ, phân
biệt được chuyển động của người và vật, giảm khả năng báo động giả. PIR đáp ứng
được yêu cầu của đề tài. Cảm biến kém nhạy khi nhiệt độ môi trường xung quanh
cao, tuy nhiên mục đích của xây dựng hệ thống chống trợm hướng tới gia đình, văn
phịng nơi có nhiệt đợng phịng khoảng 25 đợ C nên khơng hề ảnh hưởng đến đợ
nhạy của cảm biến.

Qua việc phân tích kĩ từng đặc điểm, ưu nhược điểm của từng loại cảm biến
chuyển đợng, nhóm nhận thấy cảm biến PIR là giải pháp tối ưu nhất cho nghiên
cứu xây dựng hệ thống chống trợm sử dụng cảm biến chuyển đợng. Vì vậy, nhóm
quyết định sử dụng cảm biến PIR cho đề tài này.
d) Chọn cảm biến PIR thich hợp với đề tài
Ngày nay trên thị trường có khá nhiều loại cảm biến PIR, phổ biến là 2 loại module
HC-SR501 và HC-SR505.

Bảng 1: So sánh 2 module PIR HC-SR501 và HC-SR505
Thông số kĩ thuật

Module HC-SR501
12

Module HC-SR505


Phạm vi phát hiện

góc 360 đợ hình nón, đợ
xa tối đa 6m.

<100 độ, khoảng cách
hoạt động từ 0,5-3m

Nhiệt độ hoạt động

32-122 ° F ( 0-50 ° C)

-20 độ - 80 độ C

Điện áp hoạt động

DC 3.8V - 5V

DC4.5V - 20V

Mức tiêu thụ dòng

≤ 50 uA

< 60uA

Thời gian trễ T sau khi

kích hoạt

3-300 giây, có thể tùy
chỉnh bằng biến trở.

8 giây + -30%

Đợ nhạy

Đợ nhạy cao, có thể điều
chỉnh bằng biến trở

Đợ nhạy cao

Thơng qua bảng so sánh trên có thể thấy rõ được sự tối ưu hơn của module HCSR501 trong việc xây dựng hệ thống chống trộm. Điều làm cho PIR HC-SR501 trở
nên đặc biệt đó là khả năng điều chỉnh được đợ nhạy. Khả năng này rất có ý nghĩa
khi trong nhà có thú cưng (chó, mèo...). Với cảm biến PIR khơng có biến trở điều
chỉnh đợ nhạy như HC-SR505, khi thú cưng đi ngang qua sẽ vẫn có tác dụng với
cảm biến và làm cảm biến hoạt đợng, kích hoạt chng báo đợng kêu gây ra báo
đợng giả.Vì vậy, nhóm quyết định chọn cảm biến PIR HC-SR501 cho đề tài này.
e) Giới thiệu về module HC-SR501 [4]
Cảm biến HC-SR501 PIR có ba chân đầu ra VCC, Output và Ground như trong sơ
đồ bên dưới. Nó có mợt bợ điều chỉnh điện áp tích hợp để nó có thể được cung cấp
bởi bất kỳ điện áp DC nào từ 4,5 đến 12 volt, thường sử dụng 5V.

13


Hình 3: Sơ đồ các chân đầu ra của cảm biến PIR HC-SR501
VCC

là nguồn cấp cho cảm biến HC-SR501, kết nối với chân 5V trên Arduino.

là đầu ra logic TTL 3.3V. LOW cho biết khơng có chuyển đợng nào được phát
hiện, CAO có nghĩa là mợt số chuyển đợng đã được phát hiện.
Out

GND

Là chân kết nối với chân GND của Arduino.

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo board PIR HC-SR501
Độ nhạy (Sensitivity Adjust) - Điều chỉnh khoảng cách tối đa mà chuyển đợng của
thân nhiệt có thể được phát hiện. Nó dao động từ 3 mét đến khoảng 7 mét. Nơi đặt
cảm biến có thể ảnh hưởng đến phạm vi thực tế mà ta đạt được.
14


Thời gian trễ (Time-Delay) - Điều chỉnh khoảng thời gian trễ mà đầu ra sẽ vẫn ở
mức CAO sau khi phát hiện chuyển động của thân nhiệt. Tối thiểu là 3 giây, tối đa
là 300 giây hoặc 5 phút.
Module HC-SR501có một jumper (trên một số module, jumper không được hàn
vào). Nó có hai cài đặt:
H- Đây là Giữ / Lặp lại / Kích hoạt lại .Ở vị trí này, HC-SR501 sẽ tiếp tục phát ra
tín hiệu CAO miễn là nó tiếp tục phát hiện chuyển động.

Hình 5: Tín hiệu ở mức cao nếu tiếp tục phát hiện chuyển động
L - Đây là ngắt quãng hoặc Không lặp lại / Không kích hoạt lại. Ở vị trí này, đầu ra
sẽ ở mức CAO trong khoảng thời gian được thiết lập bởi điều chỉnh chiết áp timedelay.

Hình 6: Tín hiệu ở mức cao được điều chỉnh bằng chiết áp
Bảng mạch HC-SR501 có các miếng hàn cho hai thành phần bổ sung. Chúng
thường được gắn nhãn là 'RT' và 'RL'. Lưu ý rằng trên mợt số bo mạch, các nhãn
có thể được che bởi thấu kính "mái vịm" ở phía đối diện với các thành phần.
15


Hình 7: Hai thành phần RL và RT
RT - Có nghĩa là cho một điện trở nhiệt hoặc điện trở nhạy cảm với nhiệt độ. Thêm
điều này cho phép HC-SR501 được sử dụng trong nhiệt đợ khắc nghiệt, nó cũng
làm tăng đợ chính xác của máy dị ở mợt mức đợ nào đó.
RL - Kết nối này dành cho Điện trở Phụ thuộc Ánh sáng (LDR) hoặc Điện trở
quang. Bằng cách thêm thành phần này, HC-SR501 sẽ chỉ hoạt động trong bóng
tối, mợt ứng dụng phổ biến cho các hệ thống chiếu sáng nhạy cảm với chuyển
động.
Các thành phần bổ sung có thể được hàn trực tiếp vào bo mạch hoặc mở rợng đến
các vị trí ở xa bằng cách sử dụng dây và đầu nối.
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.3.1 Giới thiệu và phân tích một số loại bộ điều khiển phổ biến
Vi điều khiển là mợt máy tính được tích hợp trên mợt chíp, nó thường được sử
dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển thực chất gồm một vi xử lý
có hiệu suất đủ cao và giá thành thấp (so với các vi xử lý đa năng dùng trong máy
tính) kết hợp với các thiết bị ngoại vi như các bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô
đun biến đổi từ số sang tương tự và từ tương tự sang số, mô đun điều chế độ rộng
xung (PWM)... Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng hệ thống nhúng. Nó
xuất hiện nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lị vi sóng, điện
thoại, dây truyền tự động... Hầu hết các loại vi điều khiển hiện nay có cấu trúc
Harvard là loại cấu trúc mà bợ nhớ chương trình và bợ nhớ dữ liệu được phân biệt
riêng. Cấu trúc của một vi điều khiển gồm CPU, bợ nhớ chương trình (thường là
bợ nhớ ROM hoặc bợ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), các bộ định thời, các

cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài, tất cả các khối này được tích
hợp trên một vi mạch.
16


Một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay:
a)Vi điều khiển 8051 [5]
-Là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard.
-Được sản xuất với việc dùng công nghệ MOSFET.
-Các thông số kĩ thuật:
+8 bit ALU, 8 bit thanh ghi.
+8 bit dữ liệu bus 16 bit địa chỉ bus vì vậy khơng gian bợ nhớ tối đa cho
ROM và RAM lên tới 64 kbyte.
+Bộ nhớ dữ liệu SRAM 128 bytes.
+Bợ nhớ chương trình ROM 4 kb.
+32 chân vào/ra đa hướng.
+Giao tiếp nối tiếp UART.
+Hai bộ timer/counter 16 bit. Hai ngắt ngoài.
Ưu điểm:
+Giá thành rẻ, dễ tích hợp, thơng dụng, đơn giản
+ Cho phép người sử dụng lập trình theo ý muốn, việc điều khiển khơng cịn
bị chi phối vào mạch điện tử nữa, thay vào đó là các chương trình được lập
trình cho vi điều khiển theo ý muốn.
Nhược điểm:
+Bợ nhớ chương trình khơng được nhiều, ít chức năng
+Tiêu tốn điện năng
+ Hiện nay 8051 được ứng dụng ít bởi ngày càng có nhiều vi điều khiển
mạnh mẽ, ưu việt hơn tích hợp ADC,SPI,TWI, …

b)Vi điều khiển PIC [6]

-PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip
Technology.
17


-Ngày nay có nhiều dịng PIC được sản xuất với hàng loạt các mơ đun ngoại vi tích
hợp sẵn như ADC, PWM, USART, SPI…với bợ nhớ chương trình từ 256byte đến
256 kbyte.
-Mợt vài đặc tính:
+Chân vào/ra I/O có thể lập trình được.
+Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 512 Kbyte
+Bộ dao động bên trong.
+8/16/32 bit Timers.
+Bộ nhớ EEPROM nội
+Chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ USART
+Các chế độ so sánh, bắt giữ và điều chế độ rộng xung PWM.
+Bộ so sánh điện áp.
+Bợ chuyển đổi ADC (tần số có thể lên tới 1 MHz).
+Mô đun điều khiển động cơ, mô đun đọc encoder.
+Hợ trợ bợ nhớ ngoài.
+DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)
Ưu điểm:
+Ổn định, tích hợp nhiều chức năng, điện năng tiêu thụ thấp
+Bợ nhớ chương trình khá lớn
+ Được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp bởi PIC được sản xuất hàng loạt,
rất nhiều chủng loại để lựa chọn, sử dụng
Nhược điểm:
+Giá thành khá cao
+ Ít hỗ trợ
c)Vi điều khiển ARM [7]

- Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi
xử lý 32-bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng.
- Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM
trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới
- Vi điều khiển LPC2148 thuộc ARM có mợt số tính năng:
18


+Vi điều khiển 16/32-bit ARM7TDMI-S
+40kbyte RAM tĩnh (8kbyte +32kbyte), 512kbyte flash
+Tích hợp USB 2.0
+Hợ trợ hai bợ ADC 10 bit
+2 bộ timer 32 bit, 6 ngõ điều chế độ rộng xung
+Đồng hồ thời gian thực hỗ trợ tần số 32kHz
Ưu điểm:
+Cấu hình cao mà giá thành lại rẻ.
+Tốc đợ xử lý nhanh
+Bợ nhớ chương trình lớn
+ Tiết kiệm năng lượng
Nhược điểm:
+Khó đối với người mới bởi hệ thống thư viện cho chip của ARM rất phức
tạp.
d)Vi điều khiển AVR [8]
-Là vi điều khiển 8 bit với tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến trúc RISC
(Reduced Instruction Set Computer).
-Phổ biến là Arduion Uno R3
Arduino Uno đi kèm với giao diện USB tức là cổng USB được thêm vào bo mạch
Arduino để phát triển giao tiếp nối tiếp với máy tính.
+ Bộ vi điều khiển Atmega328 sử dụng trên bo mạch đi kèm với mợt số tính
năng như hẹn giờ, bợ đếm, ngắt, chân PWM, CPU, chân I / O và dựa trên

xung nhịp 16 MHz giúp tạo ra nhiều tần số và số lệnh hơn trong mỗi chu kỳ.
+ Arduino đi kèm với mợt tính năng điều chỉnh tích hợp giúp giữ điện áp
trong tầm kiểm soát khi thiết bị được kết nối với thiết bị bên ngoài.
+ Chân reset trên Arduino để thiết lập lại toàn bộ và đưa chương trình đang
chạy trở về ban đầu.
+ Có 14 chân I / O digital và 6 chân analog được tích hợp trên Arduino cho
phép kết nối bên ngoài với bất kỳ mạch nào với Arduino.
19


+ 6 chân analog được đánh dấu là A0 đến A5 và có đợ phân giải 10 bit. Các
chân này đo từ 0 đến 5V.
+ Bộ nhớ flash 13KB
+ Chỉ cần nguồn 5V để sử dụng với Arduino, hoặc lấy nguồn trực tiếp từ
cổng USB. Arduino có thể hỗ trợ nguồn điện bên ngoài lên đến 12 V có thể
được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5 V hoặc 3,3 V dựa trên yêu cầu.
Ưu điểm:
+ Sử dụng phổ biến cho sinh viên nghiên cứu học tập mà giá thành khá rẻ
+ Arduino là 1 cái KIT hỗ trợ đa chức năng, khơng cần xây dựng lại mạch
cho nó.
+ KIT này đã có sẵn các lỗ cắm, tích hợp sẵn mạch nạp
+ Hỗ trợ một hệ thống thư viện cực kì mở, cực kỳ phong phú và mạnh mẽ
e)So sánh [9]
Bảng 2: So sánh các loại vi điều khiển
Băng thông
Giao thức
truyền
thông

Bộ nhớ

Điện năng
tiêu thụ
Kết nối
Giá
Vi điều
khiển phổ

ARM
32 bit
UART, USART,
SPI, I2C, LIN,
CAN, USB,
Ethernet, DSP,
SAI, IrDA

AVR
8/32 bit
SPI, I2C,
CAN, USB,
UART,
USART,
Ethernet

8051
8 bit
UART,
USART,
SPI, I2C

PIC

8/16/32 bit
UART, USART,
SPI, I2C, LIN,
CAN, Ethernet

SDRAM,
FLASH,
EEPROM
Thấp

SRAM,
FLASH,
EEPROM
Thấp

ROM,
SRAM,
FLASH
Trung bình

SRAM, FLASH

Lớn
Thấp
LPC2148, ARM

Rất tốt
Trung bình
Atmega8,
16, 32,

Lớn
Rất thấp
AT89C51,
P89v51,…

Rất tốt
Trung bình
PIC18fXX8,
PIC16f88X,

20

Thấp


biến

Arduino,…

PIC32MXX

2.3.2 Chọn lựa bộ điều khiển thích hợp
Qua phân tích có thể thấy rằng bợ điều khiển Arduino phù hợp để thiết kế, bởi vì
nó khá phổ biến, được ưa cḥng và dễ tìm trên thị trường hiện nay. Arduino hỗ trợ
thư viện phong phú, đa dạng dễ dàng cho việc lập trình và điều khiển.Có thể sử
dụng ngay khơng cần xây dựng lại mạch. Có sẵn lỗ cắm tích hợp mạch nạp, cổng
giao tiếp… Gần như không cần phải tự viết thư viện cho arduino, và hướng dẫn
trên mạng có rất nhiều, sử dụng phổ biến. Arduino rất dễ học phù hợp cho cả
những người mới bắt đầu, hơn nữa trình biên dịch cho Arduino hỗ trợ ngơn ngữ C+

+
Kết luận: Các thành viên của nhóm đều là sinh viên mới được tiếp cận tới vi điều
khiển, mới được học tập về chip 18F4520 của vi điều khiển PIC, và qua tìm hiểu
về Arduino trên internet, chưa từng được tiếp xúc với vi điều khiển 8051 và ARM.
Arduino là một lựa chọn tuyệt vời nhất.
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
- Sơ đồ cắm chân của hệ thống:

21


Hình 8: Sơ đồ cắm chân của hệ thống

2.5. Mô hình hóa và mơ phỏng hệ thống
Mơ hình hố và mô phỏng hệ thống trên Proteus:

22


Hình 9: Mô phỏng hệ thống khi chưa cấp nguồn

Hình 10: Mô phỏng hệ thống khi cấp nguồn và phát hiện chuyển động

23


CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG
3.1 Chế tạo các bợ phận cơ khí
-Arduino UNO R3 :

Hình 11: Arduino Uno R3

-PIR HC-SR501 :

Hình 12: PIR sensor HC-SR501

-Buzzer :

24


Hình 13: Buzzer 5V

-LED:

Hình 14: LED

-Module SIM800L:

Hình 15: Module SIM800L

-Pin Lipo 3,7V-1200 mAh:

25