Thiết kế giao diện điều khiển quá trình chụp ảnh tự động của máy đo thân nhiệt không tiếp xúc dùng arduino

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên Hoàng Văn Lâm Giảng viên hướng dẫn TS Ngô Quang Vĩ HẢI PHÒNG – 2020 2 B.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên: Hồng Văn Lâm Giảng viên hướng dẫn: TS Ngơ Quang Vĩ HẢI PHỊNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHỤP ẢNH TỰ ĐỘNG CỦA MÁY ĐO THÂN NHIỆT KHÔNG TIẾP XÚC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên : Hoàng Văn Lâm Giảng viên hướng dẫn: TS Ngơ Quang Vĩ HẢI PHỊNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Hoàng Văn Lâm MSV: 1913102005 Lớp : DCL2301 Nghành : Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài: Thiết kế giao diện điều khiển trình chụp ảnh tự động máy đo thân nhiệt không tiếp xúc NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn 3.Địa điểm thực tập tốt nghiệp CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên : Ngô Quang Vĩ Học hàm, học vị : Tiến sĩ Cơ quan công tác : Trường Đại học Quản lý Cơng nghệ Hải Phịng Nội dung hướng dẫn: Thiết kế giao diện điều khiển trình chụp ảnh tự động máy đo thân nhiệt không tiếp xúc Đề tài tốt nghiệp giao ngày 12 tháng 10 năm 2020 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 31 tháng 12 năm 2020 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Hồng Văn Lâm TS Ngơ Quang Vĩ Hải Phịng, ngày…….tháng …… năm 2020 TRƯỞNG KHOA Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên: Ngô Quang Vĩ Đơn vị công tác: Trường Đại học Quản lý Công nghệ Hải Phịng Họ tên sinh viên: Hồng Văn Lâm Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/khóa luận( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu ) Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn TS Ngơ Quang Vĩ Cộng hịa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giảng viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên chấm phản biện LỜI NĨI ĐẦU Ngày khoa học cơng nghệ ngày phát triển, vi điều khiển AVR , PIC, ARM ngày trở lên phổ biến, có thể nói xuất Arduino mở hướng cho vi điều khiển Sự xuất Arduino hỗ trợ cho người rất nhiều lập trình thiết kế, nhất những người bắt đầu tìm tịi vi điều khiển mà không có nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc vật lý điện tử Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức cơ mã ng̀n mở Ngơn ngữ lập trình tảng Java lại vô cùng dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C hệ thư viện rất phong phú chia sẻ miễn phí Chính những lý nên Arduino dần phổ biến phát triển ngày mạnh mẽ toàn giới Trong đợt dịch COVID-19 vừa qua, những vấn đề liên quan đến phòng ngừa dịch bệnh trở lên cấp bách, nhất vấn đề lưu vết những người có thân nhiệt cao Trên cơ sở kiến thức học cùng với giúp đỡ thầy Ngô Quang Vĩ em định thực đề tài : Thiết kế giao diện trình điều khiển máy đo thân nhiệt không tiếp xúc với mục đích tìm hiểu thêm Arduino, đóng góp vào q trình xử lý thơng tin, lưu vết những người có khả nhiễm bệnh Do kiến thức hạn hẹp, thêm vào đó lần đầu em thực đồ án nên chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót , hạn chế em rất mong có góp ý nhắc nhờ từ thầy giáo để em có thể hoàn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Ngô Quang Vĩ giúp đỡ em rất nhiều trình tìm hiểu ,thiết kế hồn thành đờ án Em xin trân trọng cảm ơn! Hải Phòng, ngày…tháng…năm 20… Sinh viên Hoàng Văn Lâm LỜI CẢM ƠN Đây kết trình những năm tháng học tập em kinh nghiệm thực tế thân chưa nhiều nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, đó cần phải có hướng dẫn, giấy đỡ thầy cô giáo Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Trường Đại học Quản Lý Công Nghệ Hải Phịng, khoa Điện – Điện tử, thầy môn lời cảm ơn chân thành nhất, thầy cô tận tình giảng dạy cho em thời gian vừa qua, thầy cô trang bị cho em nhiều kiến thức cơ lĩnh vực điện tự động công nghiệp Và cuối cùng em xin cảm ơn thầy giáo Ngô Quang Vĩ giúp đỡ hướng dẫn em suốt q trình làm đờ án tốt nghiệp Thầy tận tình giúp đỡ, định hướng, góp ý cung cấp những ý tưởng quý báu suốt thời gian làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ ARDUINO 12 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO NANO 12 1.1.1 Thông số kỹ thuật Arduino Nano 12 1.1.2 Arduino Nano Schematic 17 1.2 NGUỒN NUÔI CHO ARDUINO NANO VÀ DRIVE A4988 18 1.2.1 Chuyển nguồn AC~220V sang DC-12V 18 1.2.2 Chuyển nguồn từ DC-12V sang DC-5V 18 1.3 MẠCH DAO ĐỘNG CHO ARDUINO NANO 19 1.4 RESET 20 1.5 GIAO TIẾP MÁY TÍNH 21 1.6 LẬP TRÌNH CHO ARDUINO NANO 21 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ C# 23 2.1 TÌM HIỂU VỀ NGÔN NGỮ C# 23 2.1.1 C# ngôn ngữ đơn giản 23 2.1.2 C# ngôn ngữ đại 23 2.1.3 C# ngôn ngữ hướng đối tượng 24 2.1.4 C# ngôn ngữ mạnh mẽ mềm dẻo 24 2.1.5 C# ngôn ngữ từ khóa 24 2.1.6 C# ngôn ngữ hướng module 25 2.1.7 C# ngôn ngữ phổ biến 25 2.1.8 Ngôn ngữ C# ngôn ngữ khác 25 2.2 CÁC BƯỚC CHUẨN BỊ CHO CHƯƠNG TRÌNH 27 2.2.1 Chương trình C# đơn giản 28 2.2.2 Lớp, đối tượng kiểu liệu (type) 28 2.2.3 Phương thức 29 2.2.4 Chú thích 30 2.2.5 Ứng dụng Console 31 2.2.6 Toán tử ‘.’ 32 2.2.7 Từ khóa using 32 2.2.8 Từ khóa static 34 CHƯƠNG THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHỤP ẢNH TỰ ĐỘNG CỦA MÁY ĐO THÂN NHIỆT KHÔNG TIẾP XÚC 35 3.1 ĐỘNG CƠ BƯỚC 35 3.1.1 Cấu tạo nguyên lí hoạt động động bước 35 3.1.2 Điều khiển động bước 35 3.1.3 Chân Driver A4988 36 3.2 CÁC CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 38 3.2.1 Cảm biến không tiếp xúc Ztemp TN905-05F 38 3.2.2 Cảm biến hồng ngoại 40 3.2.3 Cảm biến siêu âm (HC-SRF04) 40 10 SỔ TAY ARDUINO Góc dị lớn Để tăng độ nhậy cho đầu dị, Bạn dùng kính Fresnel, thiết kế cho loại đầu có cảm biến, góc dị lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại Nguyên lý làm việc loại đầu dò PIR nhƣ hình sau: Các nguồn nhiệt (với người vật nguồn thân nhiệt) phát tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, cho tiêu tụ cảm biến hồng ngoại gắn đầu dò, tạo điện áp khuếch đại với transistor FET Khi có vật nóng ngang qua, từ cảm biến cho xuất tín hiệu tín hiệu khuếch có biên độ đủ cao đưa vào mạch so áp để tác động vào thiết bị điều khiển hay báo động Sơ đồ chân cảm biến PIR Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO  GND – kết nối với mặt đất  OUT – kết nối đến chân digital Arduino  5V – kết nối với 5V Linh kiện thí nghiệm:  1x PIR Motion Sensor  1x Arduino UNO (hoặc bất kỳ)  1x LED loa Sơ đồ kết nối arduino cảm biến: Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO Lập trình điều khiển: int ledPin = 13; // chọn chân 13 báo hiệu LED int inputPin = 2; // chọn ngõ tín hiệu vào cho PIR int pirState = LOW; // Bắt đầu với khơng có báo động int val = 0; int pinSpeaker = 10; //chọn chân cho chng có đột nhập void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(inputPin, INPUT); pinMode(pinSpeaker, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { val = digitalRead(inputPin); // đọc giá trị đầu vào Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO if (val == HIGH) // giá trị mức cao.(1) { digitalWrite(ledPin, HIGH); // LED On playTone(300, 160); // thời gian chuông kêu delay(150); if (pirState == LOW) { Serial.println("Motion detected!"); pirState = HIGH; } } else { digitalWrite(ledPin, LOW); playTone(0, 0); delay(300); if (pirState == HIGH) { Serial.println("Motion ended!"); pirState = LOW; } } } void playTone(long duration, int freq) { Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO duration *= 1000; int period = (1.0 / freq) * 1000000; long elapsed_time = 0; while (elapsed_time < duration) { digitalWrite(pinSpeaker,HIGH); delayMicroseconds(period / 2); digitalWrite(pinSpeaker, LOW); delayMicroseconds(period / 2); elapsed_time += (period); } } 13 CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH ( SRF05) PHẦN NÀY BỔ XUNG Đối với robot, chế độ tự động, phải lấy thơng tin mơi trường xung quanh như: khoảng cách, nhiệt độ, ánh sáng Và tiến hành phân tích liệu đó, cuối định phù hợp Ví dụ robot tự tìm đường phải tính xem phía trước có vật cản hay khơng, tiến hành tới hay rẽ sang hướng khác Bài viết hướng dẫn bạn đọc hiểu sử dụng cảm biến khoảng cách phổ biến - SRF05 Thiết bị cần chuẩn bị Các bạn cần chuẩn bị thiết bị sau:     x Arduino Uno R3 x cảm biến siêu âm SRF05 x breadboard để cắm mạch test Dây cắm loại Cảm biến siêu âm SRF05 Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO Sóng siêu âm (sonar) loại sóng cao tầng mà người nghe thấy Tuy nhiên, ta thấy diện sóng siêu âm khắp nơi tự nhiên Ta có lồi động vật dơi, cá heo dùng sóng siêu âm để liên lạc với nhau, để săn mồi hay định vị khơng gian Việc tính tốn khoảng cách cịn phụ thuộc nhiều vào mơi trường truyền dẫn, ví dụ sóng âm truyền môi trường nước hay kim loại nhanh nhiều so với sóng âm truyền mơi trường khơng khí Lƣu ý sóng âm khơng thể truyền đƣợc môi trƣờng chân không Cảm biến siêu âm SRF05 hoạt động theo nguyên tắc trên, thiết bị gồm có loa - thu phát - với chân để kết nối với Arduino, tầm hoạt động tối đa cảm biến nằm khoảng 5m Chức chân nhƣ sau: Vcc: cấp nguồn cho cảm biến Trigger: kích hoạt q trình phát sóng âm Q trình kích hoạt chu kì điện cao / thấp diễn Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO Echo: bình thường trạng thái 0V, kích hoạt lên 5V có tín hiệu trả về, sau trở 0V Gnd: nối với cực âm mạch OUT: không sử dụng Ta tiến hành lắp đặt cảm biến khoảng cách SRF05 theo sơ đồ sau: Vcc: nối với nguồn 5V Adruino Gnd: nối với PIN GND Trigger: nối với PIN Echo: nối với PIN Lập trình điều khiển const int trig = 8; // chân trig HC-SR05 const int echo = 7; // chân echo HC-SR05 void setup() { Serial.begin(9600); // giao tiếp Serial với baudrate 9600 pinMode(trig,OUTPUT); // chân trig phát tín hiệu pinMode(echo,INPUT); // chân echo nhận tín hiệu } void loop() { unsigned long duration; // biến đo thời gian int distance; // biến lƣu khoảng cách /* Phát xung từ chân trig */ digitalWrite(trig,0); // tắt chân trig Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig,1); // phát xung từ chân trig delayMicroseconds(5); // xung có độ dài microSeconds digitalWrite(trig,0); // tắt chân trig /* Tính tốn thời gian */ // Đo độ rộng xung HIGH chân echo duration = pulseIn(echo,HIGH); // Tính khoảng cách đến vật distance = int(duration/2/29.1); /* In kết Serial Monitor */ Serial.print(distance); Serial.println("cm"); delay(200); } Giải tích code: Ta biết thời gian âm truyền khơng khí 20°C 344 m/s Bằng quy tắc tam suất đơn giản ta dễ dàng tính sóng âm di chuyển cm khơng khí 1000 / 344 * 100 ~= 29.1 Arduino cung cấp cho ta hàm pulseIn có tác dụng trả thời gian (tính milisec) kể từ hàm gọi có tín hiệu PIN định trước, hay trả khơng nhận tín hiệu / thời gian timeout Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO 14 CẢM BIẾN MÀU ( TCS3200) Module cảm biến màu TCS3200 module cảm biến phát đầy đủ màu sắc, bao gồm cảm biến màu TCS3200 với khả nhận biết màu RGB đèn LED trắng Các TCS3200 phát đo lường gần tất màu sắc nhìn thấy Ứng dụng bao gồm kiểm tra đọc dải, phân loại theo màu sắc, cảm biến ánh sáng xung quanh hiệu chuẩn, kết hợp màu sắc, vài ứng dụng TCS3200 có tách sóng quang, có lọc màu sắc lọc màu đỏ, xanh, màu xanh, khơng có lọc ( rõ ràng) Các lọc màu phân bố khắp mảng để loại bỏ sai lệch vị trí điểm màu Bên dao động tạo đầu sóng vng có tần số tỷ lệ thuận với cường độ màu sắc lựa chọn Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp: (2.7V đến 5.5V) Chuyển đổi từ cường độ ánh sáng sang tần số với độ phân giải cao Có khả lập trình để nhận biết đầy đủ màu sắc Điện tiêu thụ thấp Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển S0 ~ S1: Dùng để lựa chọn tỉ lệ tần số đầu S2 ~ S3: Dùng để lựa chọn kiểu photodiode OUT Pin: Đầu tần số OE Pin: Tần số đầu cho phép hoạt động (hoạt động mức thấp) Hỗ trợ đèn LED bổ sung kiểm soát ánh sáng Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO Kích thước: 28.4x28.4mm Nguyên tắc nhận biết màu: TCS3200 có lọc màu, lựa chọn lọc màu cho phép nhận biết màu màu khác bị chặn Ví dụ, lựa chọn lọc màu đỏ, Chỉ có ánh sáng tới màu đỏ thơng qua, màu xanh màu xanh ngăn chặn Vì nhận cường độ ánh sáng màu đỏ Tương tự vậy, lựa chọn lọc khác mà nhận ánh sáng màu xanh màu xanh Cách thiết lập màu sắc cho TCS3200: Tần số đầu TCS3200 khoảng 2HZ~500KHZ Tần số đầu có dạng xung vng với tần số khác mà màu sắc khác cường độ sáng khác Chúng ta lựa chọn tỉ lệ cừng độ sáng màu sắc theo bảng sau Trên module có chân LED EN chân điều khiển đèn LED để tắt bật Cách thiết lập tần số cho TCS3200: Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO Sơ đồ nối dây: Lập trình điều khiển: #define S0 #define S1 #define S2 #define S3 #define sensorOut int frequency = 0; void setup() { 10 pinMode(S0, OUTPUT); 11 pinMode(S1, OUTPUT); 12 pinMode(S2, OUTPUT); 13 pinMode(S3, OUTPUT); 14 pinMode(sensorOut, INPUT); 15 16 // Setting frequency-scaling to 20% 17 digitalWrite(S0,HIGH); 18 digitalWrite(S1,LOW); 19 20 Serial.begin(9600); 21 } 22 23 void loop() { 24 // Setting red filtered photodiodes to be read 25 digitalWrite(S2,LOW); 26 digitalWrite(S3,LOW); Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO 27 frequency = pulseIn(sensorOut, LOW); 28 Serial.print("R= ");//printing name 29 Serial.print(frequency);//printing RED color frequency 30 Serial.print(" "); 31 delay(100); 32 digitalWrite(S2,HIGH); 33 digitalWrite(S3,HIGH); 34 frequency = pulseIn(sensorOut, LOW); 35 Serial.print("G= ");//printing name 36 Serial.print(frequency);//printing RED color frequency 37 Serial.print(" "); 38 delay(100); 39 digitalWrite(S2,LOW); 40 digitalWrite(S3,HIGH); 41 frequency = pulseIn(sensorOut, LOW); 42 Serial.print("B= ");//printing name 43 Serial.print(frequency);//printing RED color frequency 44 Serial.println(" "); 45 delay(100); 46 } Sau upload chương trình kết nối xong lấy mẫu giấy màu đưa sát vào led màu trắng cảm biến, sau mở serial port lên xem giá trị trả màu Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO 15 CẢM BIẾN GIA TỐC ( MPU 6050) Cảm biến gia tốc MPU 6050 cảm biến có trục thiết kế cho ứng dụng nguồn nuôi thấp, giá rẻ, có hiệu xuất cao, ứng dụng điện thoại máy tình bảng, thiết bị di động khác MPU-6000/6050 gồm có trục quay hồi chuyển (gyroscope) trục gia tốc (accelerometer ) thiết kế nhân chip Digital Motion Processor (DMP) sử dụng thuật toán MotionFusion thuật toán MotionFusion có khả giao tiếp với số cảm biến khác qua chân I2C phụ trợ (auxiliary master I2C bus), giúp cho thiết bị trang bị đầy đủ loại cảm biến hệ thống điều khiển Board MPU6050 thiết kế với IC nguồn 3.3V trện board trở kéo bus I2C Thông số kĩ thuật cảm biến gia tốc MPU 6050 : - Điện áp cấp: 3~5v - góc quay hồi chuyển với độ nhạy lên đến 131 LSBs/sps đầy đủ độ ±250, ±500, ±1000, and ±2000dps - góc gia tốc kế với đầy đủ khả lập trình với ±2g, ±4g, ±8g and ±16g - Kích thước: 14 x 21mm Sơ đồ nối dậy: Web: tdhshop.com.vn - Chuyên Kit TỰ HỌC ARDUINO SỔ TAY ARDUINO Lập trình điều khiển: Trƣớc hết ta phải cài thƣ viện MPU6050 I2C vào arduino IDE #include const int MPU_addr=0x68; // I2C address of the MPU-6050 int16_t AcX,AcY,AcZ,Tmp,GyX,GyY,GyZ; void setup(){ Wire.begin(); Wire.beginTransmission(MPU_addr); Wire.write(0x6B); // PWR_MGMT_1 register Wire.write(0); // set to zero (wakes up the MPU-6050) Wire.endTransmission(true); Serial.begin(9600); } void loop(){ Wire.beginTransmission(MPU_addr); Wire.write(0x3B); // starting with register 0x3B (ACCEL_XOUT_H) Wire.endTransmission(false); Wire.requestFrom(MPU_addr,14,true); // request a total of 14 registers AcX=Wire.read()