Nghiên cứu về các loại cảm biến và ứng dụng trong thực tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Báo Cáo
ĐỀ TÀI: Nghiên cứu về các loại cảm biến và ứng dụng
trong thực tế

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Lân
Sinh viên thực hiện

:

TP.HCM, Năm 2021

I. Giới thiệu về cảm biến siêu âm HC – SR04
1


1. Thế nào là cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm là một thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên sóng siêu âm.
Cũng giống như các loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm
được dùng chủ yếu là để đo khoảng cách hoặc vận tốc. Ngồi ra thì cịn được sử
dụng trong các ứng dụng như làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc dùng trong siêu âm
y khoa (siêu âm chuẩn đốn hình ảnh).

Cảm biến siêu âm HC-SR04
2. Cấu tạo cảm biến HC-SR04
Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần:
Bộ phận phát sóng siêu âm
Cấu tạo của các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm đặc biệt, phát siêu âm
có cường độ cao ở tần số thường là 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách.

2


Phát sóng trên cảm biến siêu âm HC-SR04
Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ
Thiết bị thu là dạng loa gốm có cấu tạo chỉ nhạy với một tần số chẳng hạn như
40KHz. Qua một loạt các linh kiện như OPAM TL072, transistor NPN…Tín hiệu
này liên tục được khuếch đại biên độ và cuối cùng là đưa qua một bộ so sánh, kết
hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển để đưa về bộ điều khiển.
Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu
Vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) được sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử
lý tính tốn thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu âm nếu nhận được tín
hiệu TRIG.
3. Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng và phản xạ sóng.
Nguyên lý này tương tự như ở lồi dơi. Khi tìm mồi trong đêm, dơi thường phát ra
các dạng sóng siêu âm và khi các sóng siêu âm này gặp các vật cản sẽ phản xạ lại
sóng và giúp dơi xác định được chướng ngại vật trước mặt. Đối với cảm biến siêu
âm cũng vậy; khi ta cấp nguồn hoạt động, cảm biến sẽ phát ra 1 chùm sóng siêu âm
liên tục. Khi các chùm sóng này chạm đến bề mặt vật cản sẽ phản xạ ngược lại cảm
biến. Lúc này cảm biến sẽ thu lại các chùm sóng và tính tốn khoảng cách từ cảm
biến đến vật cản dựa trên thời gian phản xạ và vận tốc của sóng.
Để đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn
(5 microSeconds) từ chân Trig. Tiếp theo, 1 xung HIGH ở chân Echo sẽ được cảm
biến tạo ra và phát đi cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở chân này. Lúc này,
độ rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến và
phản xạ lại.
Trong khơng khí, tốc độ âm thanh đạt mức 340 m/s (hằng số), tương đương với
29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)).

3


Nguyên lý hoạt động của HC-SR04

Biểu đồ thời gian của HC-SR04
4. Thơng số kỹ thuật
•

Model: HC-SR04

•

Điện áp làm việc: 5VDC
4


•

Dòng điện: 15mA

•

Tần số: 40 KHZ

•

Khoảng cách phát hiện: 2cm – 4m

•

Tín hiệu đầu ra: Xung mức cao 5V, mức thấp 0V

•

Góc cảm biến: Khơng q 15 độ.

•

Độ chính xác cao: Lên đến 3mm

•

Chế độ kết nối: VCC / Trig (T-Trigger) / Echo (R-Receive) / GND

5. Sơ đồ xử lý tín hiệu

6. Sơ
kết

đồ mạch
nối
Arduino

5


7. Ứng dụng cảm biến siêu âm trong thực tế
• Cảm biến siêu âm đo khoảng cách

• Cảm biến siêu âm đo mức nước
• Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản:

•

Cảm biến
siêu âm cơng nghiệp:

6


II. Giới thiệu về cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1
1. Thế nào là cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng là một thiết bị thụ động chuyển đổi “năng lượng ánh sáng”
này cho dù có thể nhìn thấy hoặc trong các phần hồng ngoại của quang phổ thành
tín hiệu điện.
Cảm biến ánh sáng là thiết bị cảm biến thông minh có khả năng nhận biết các
biến đổi của mơi trường thông qua mắt cảm biến để kịp thời điều chỉnh ánh sáng
cho phù hợp. Cảm biến này nhận biết ánh sáng và điều chỉnh thay đổi dựa trên các
đi-ốt quang học.
2. Các loại cảm biến ánh sáng
a. Photoresistors (LDR)
Loại cảm biến ánh sáng phổ biến nhất được sử dụng trong mạch cảm biến ánh
sáng là chất cảm quang, còn được gọi là điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR). Chất
phát quang được sử dụng để đơn giản phát hiện xem đèn bật hay tắt và so sánh
mức độ ánh sáng tương đối trong suốt một ngày.

7

Photoresistors (LDR)
b. Photoresistors (LDR)
Photodiodes là một loại cảm biến ánh sáng khác, thay vì sử dụng sự thay đổi điện trở
như LDR, dễ dàng thay đổi ánh sáng thành dòng điện.
Photodiodes hoạt động trên nguyên lý làm việc được gọi là hiệu ứng quang điện bên
trong. Nói một cách đơn giản, khi một chùm ánh sáng chiếu vào, các electron bị nới lỏng,
gây ra các lỗ electron dẫn đến dòng điện chạy qua. Ánh sáng càng lớn, dòng điện sẽ càng
mạnh.
c. Phototransistors
Loại cảm biến ánh sáng cuối cùng chúng ta sẽ khám phá hôm nay là phototransistor.
Cảm biến ánh sáng phototransistor có thể được mơ tả như một bộ khuếch đại photodiode.
Với sự khuếch đại được thêm vào, độ nhạy sáng tốt hơn nhiều trên các phototransistors.
2. Cấu tạo cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1
Quang trở DLR

Quang điện trở (LDR- Light dependent resistor) hay điện trở quang là một linh
kiện điện tử có điện trở phụ thuộc ánh sáng chiếu vào nó. Đây một linh kiện điện
tử nhạy cảm với ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào nó, thì điện trở sẽ thay đổi. Giá
trị điện trở của LDR
giảm khi mức độ
ánh sáng tăng lên
và ngược lại.

8


Quang trở LDR
Biến trở
Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn. Chúng có
thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện. Điện trở

của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết
bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,...

Biến trở

Transistor
Transistor hay còn gọi là tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, chúng thường
được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Transistor nằm trong
khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị
điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng
trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều
9


khiển tín hiệu, và tạo dao động. Transistor cũng được kết hợp thành mạch tích hợp (IC),
có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một diện tích nhỏ.

*Ngồi ra cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1 cịn được tích hợp IC

LM393 để xử lý tín hiệu

IC LM393

10


Cấu tạo của cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1

3. Nguyên lý hoạt động

Khi vào buổi tối tắt đèn không có ánh sáng chiếu vào quang trở, điện trở LDR
tăng, dịng IB nhỏ, VBE(Q1) < 0.7, Q1 khơng dẫn, vì vậy điện áp đầu vào không đi
qua cực CE của Q1 mà qua điện trở R1 vào cực B của Q2, VBE(2) > 0.7, Q2 dẫn,
điện áp đầu vào đi qua R2 qua led làm led sáng và chạy vào cực E nối mass của
Q2. Kết luận: Khi khơng có ánh sáng đèn led tự động sáng.
Khi có ánh từ bền ngoài chiếu vào quang trở, điện trở LDR giảm, dịng IB lớn,
VBE(Q1)>0.7, Q1 dẫn, vì vậy điện áp đầu vào đi qua R1 qua cực CE của Q1, dẫn
đến VBE(Q2) < 0.7, Q2 đóng, khơng có dịng qua led, led tắt. Kết luận: Khi có ánh
sáng là Led tắt.

11


Mạch nguyên lý hoạt động của cảm biến ánh sáng

4. Thơng số kỹ thuật
•
•
•
•
•
•
•

Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 6v
VCC: Nối nguồn 3.3 ~6V
GND: Nối Mass 0V
Chế độ hoạt động: LED sáng khi trời tối
Tín hiệu ra: Digital
Nhiệt độ hoạt động: < 80 oC

Kích thước: 3cm x 1.6cm

5. Sơ đồ xử lý tín hiệu

12


6. Sơ đồ mạch kết nối Arduino

7. Ứng dụng cảm biến siêu âm trong thực tế
•
•
•
•
•

Ứng dụng dùng để bật tắt đèn chiếu sáng công cộng.
Ứng dụng dùng bật tắt đèn hành lang.
Ứng dụng dùng để bật tắt sân thượng.
Ứng dụng dùng để bật tắt sân vườn.
Và một số ứng dụng khác: bảng hiệu, bảng quảng cáo…

13


Ứng dụng cảm biến bật tắt đèn giao thông và sân vườn

14

Điều khiển Led trong bể cá

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20
I Giới thiệu
1 Cảm biến nhiệt độ là gì?
Cảm biến nhiệt độ là cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi
thì các cảm biến sẽ đưa ra một dạng tín hiệu mà từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc
được v à quy ra nhiệt độ. Với mỗi loại cảm biến sẻ có dạng tín hiệu khác nhau. Có
loại thì đưa ra tín hiệu điện trở, được gọi là nhiệt điện trở hoặc có tên gọi khác là
RTD. Thông thường là cảm biến Pt100, Pt1000, Pt50, CU50. Có loại đưa ra tín
hiệu mV được gọi là cặp nhiệt và nó chỉ có hai dây tín hiệu ra. Thơng thường là
cảm biến K, R, S, B, T, E.

15


CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20
2 Giới thiệu cảm biến nhiệt độ DS18B20
a) Thông số kĩ thuật.

DS18B20 là nhiệt kế số có độ phân giải 9-12 bit giao tiếp với bộ điều khiển
trung tâm thông qua 1 dây duy nhất (1 wire communication). Nếu cấu hình,
cho DS18B20 theo 9,10,11,12 bit thì ta có độ chính xác tương ứng là: 0.5°C
0.25°C ,0.125°C, 0.0625°C. (Theo mặc định của nhà sản xuất nếu chúng ta
khơng cấu hình chế độ chuyển đổi thì nó sẽ tự cấu hình là 12 bit).
DS18B20 hoạt động với điện áp từ 3V-5,5V, có thể được cấp nguồn thơng
qua chân DQ- chân trao đổi dữ liệu.
DS18B20 có thể đo được nhiệt độ trong tầm -55 – 1250C với độ chính xác (+
- 0,50C). Mỗi DS18B20 có một serial code 64 bit duy nhất, điều này cho
phép kết nối nhiều IC trên cùng đương Bus.

b) Chuẩn wire có đặc điểm sau
Chỉ có 1 master trong hệ thống.
Gía thành thấp.
Tốc độ đạt tối đa là16kbps.
Khoảng cách truyền xa nhất là 300m.
Lượng thông tin trao đổi nhỏ.
2 Cấu tạo cảm biến nhiệt độ DS18B20
-

a) Sơ đồ chân
16


17


b) Các thanh ghi dữ liệu
Mỗi IC DS18B20 có một mã 64 bit riêng biệt gồm: 8 bit Family code, 8 bit
serial code và 8 bit CRC code được lưu trong ROM.Các giá trị này giúp
phân biệt các IC với nhau trên cùng 1 bus. Giá trị Family code của DS18B20
là 28H và giá trị CRC là kết quả của q trình kiểm tra 56 bit trước đó.
Tổ chức bộ nhớ Scratchpad:
Bộ nhớ DS18B20 gồm 9 thanh ghi 8 bits

18


Bảng tổ chức bộ nhớ DS18B20
-

Byte 0 và 1 lưu giá trị nhiệt độ chuyển đổi.
Byte 2 và 3 lưu giá trị ngương nhiệt độ. Giá trị này được lưu khi mất
điện.
Byte 4 la thanh ghi cấu hình cho hoạt đông của DS18B20.
Byte 5,6 và 7 không sử dụng.
Byte 8 là thanh ghi chỉ đọc lưu giá trị CRC từ byte 0 đến 7.
Dữ liệu trong byte 2,3,4 được ghi thông qua lệnh Write Scratchpad[4Eh]
và dư liệu được chuyển đến DS18B20 và bit LSB của byte 2, sau khi ghi
dữ liệu có thể được đọc thơng qua lệnh Read Scratchpad[BEh], và khi
đọc Scratchpad thì bit LSB của byte 0 sẽ được gửi đi trước tất cả các byte
đều được đọc, nhưng chỉ ghi được byte. Để chuyển giá trị TH và TL vào
EEPROM thì cần gửi lệnh copy Scratchpat [48] đến DS1820. Và dữ liệu
từ EEPROM cũng được chuyển vào thanh ghi TH, TL thông qua lệnh
Recall E2 [B8h].
19


4) Nguyên lý hoạt động.
Bên trong DS18B20 sẽ có bộ chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang giá trị số và
được lưu trong các thanh ghi ở bộ nhớ scratchpad. Độ phân giải nhiệt độ đo
có thể được cấu hình ở chế độ 9 bits,10 bits,11 bits,12 bits. Ơr chế độ mặc
định thì DS18B20 hoạt động ở độ phân giải 12bits.
Để bắt đầu quá trình đọc nhiêt độ, và chuyển đổi từ giá trị tương tự sang giá
trị số thì vi điều khiển gửi lệnh Convert T [44h], sau khi chuyển đổi xong thì
giá trị nhiệt độ sẽ được lưu trong 2 thanh ghi nhiệt độ ở bộ nhớ scratchpad
và IC trở về trang thái nghỉ.

Mã nhị phân và lục phân tương ứng nhiệt độ
Nhiệt độ sau khi được lưu trong 2 thanh ghi bộ nhớ sẽ được so sánh với 2
thanh ghi ngưỡng nhiệt độ TH và TL. Các giá trị ngưỡng nhiệt độ do người

dung quy định, và nó sẽ khơng thay đổi khi mất điện.
20


Như vậy chỉ có phần nguyên, các bit 11-4 của giá trị nhiệt độ được so sánh
với thanh ghi ngưỡng. Nếu giá trị nhiệt độ đọc về nhỏ hơn mức TL hoặc lớn
hơn mức TH thì cờ báo quá nhiệt sẽ bật lên, và nó sẽ thay đổi ở mỗi q
trình đọc nhiệt độ. Vi điều khiển có thể kiểm tra trạng thái quá nhiệt bằng
lệnh Alarm Search[ECh]
5) Sơ đồ kết nối
a) Linh kiện
-Arduino UNO
- Breakboard
- 1 cảm biến DS18B20
-1 điện trở 470 KΩ
b) sơ đồ

6) sơ đồ xử lý tín hiệu

21


7 Ứng dụng
-

Cảm biến nhiệt độ điều chỉnh nhiệt độ phịng(cơng tắc nhiệt độ)

22

-

Đo nhiệt độ môi trường

-

Cảm biến nhiệt độ làm mát hoạt động

23