Thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại

Thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại Việc giám sát và điều khiển ánh sáng trong nhà, công ty, nhà máy xí nghiệp… đang là vấn đề vô cùng quan trọng đối với xã hội hiện nay. Bởi vì, việc điều khiển đèn thủ công bằng công tắc không còn thuận tiện và tiết kiệm nữa, do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan. Khách quan có thể do trời tối khó khăn cho việc bật công tắc, đi lại khó khăn… chủ quan có thể do quên hay tâm lý con người là đèn của công ty, trường học nên họ không quan tâm…điều này gây lãng phí điện rất lớn, đặc biệt trong hoàn cảnh nước ta đang thiếu điện trầm trọng như hiện nay.

BÁO CÁO ĐỀ TÀI LỜI CẢM ƠN Đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Tử, trường Học viện THIẾT KẾ CẢM BIẾN Kỹ thuật Mật mã tạo MẠCH điều kiện cho em thực đềHỒNG tài NGOẠI Tiếp đến chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Hải tận tình hướng dẫn, Ngành: Điện tử viễn thông bảo chúng em suốt thời gian thực đề tài Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Điện Tử tận tình giảng Giảng viên hướng dẫn: dạy, trang bị cho chúng em kiến thức quý báu năm học vừa qua Xin chân thành cảm ơn anh chị khóa bạn bè ủng hộ, giúp đỡ động viên chúng em quãng thời gian học tập nghiên cứu Mặc dù cố gắng hoàn thành báo cáo phạm vi khả cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng em xin kính mong nhận thơng cảm tận tình bảo q Thầy Cô bạn Sinh viên thực HÀ NỘI, 4-2023 Trần Văn Dũng Trần Thị Hương Quỳnh Hoàng Minh Tuấn MỤC LỤC PHẦN A: MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài: .1 Mục đích: .1 Phạm vi đối tượng đề tài: .1 3.1 Phạm vi: 3.2 Đối tượng: Nhiệm vụ: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Những đóng góp báo cáo: Cấu trúc báo cáo: PHẦN B: NỘI DUNG .3 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỒNG NGOẠI VÀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI .3 1.1 Hồng ngoại gì? .3 1.2 Cảm biến hồng ngoại .3 1.3 Cảm biến IR gì? 1.3.1 Các loại cảm biến IR → Cảm biến hồng ngoại chủ động → Cảm biến hồng ngoại thụ động 1.4 Cấu tạo cảm biến hồng ngoại 1.4.1 Sơ đồ mạch IR Sensor: 1.4.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị 1.4.3 Ứng dụng .7 CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA MẠCH CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 2.1 Các linh kiện sử dụng: .8 2.2 Giới thiệu sơ lược Arduno Uno: .8 2.2.1 Tổng quan 2.2.2 Thông số kỹ thuật – Uno R3 2.2.3 I/O Pins: 10 2.2.4 Nguồn 11 2.3 Tổng quan LCD 16×2 giao tiếp I2C LCD sử dụng Arduino 12 2.3.1 Thông số kỹ thuật LCD 16x2: 12 2.3.2 Module I2C Arduino: 13 2.3.2.1 Ưu điểm: 13 2.3.2.2 Thông số kỹ thuật: 13 2.3.3 Giao tiếp I2C LCD Arduino: .14 2.4 Relay .15 2.4.1 Relay gì? 15 2.4.2 Cấu tạo Relay .16 2.4.3 Các loại Relay thị trường 17 2.4.4 Cách xác định trạng thái Relay 18 2.4.5 Các thông số thường thấy Module Relay19 2.4.5.1 Hiệu điện kích tối ưu: 19 2.4.5.2 Hiệu điện cường độ dòng điện tối đa: 19 2.4.6 Cách sử dụng Relay 20 Với chân kích 20 Với lại 20 2.4.7 Ứng dụng Module Relay thực tế .21 CHƯƠNG III: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN .22 3.1 Sơ đồ nguyên lý: .22 3.2 Chương trình 23 PHẦN C: KẾT LUẬN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 GVHD: T.S Đặng Văn Hải PHẦN A: MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Ngày nay, khoa học công nghệ ngày phát triển, nhu cầu người ngày cao Việc nghiên cứu khoa học ngày đươc đầu tư nhiều để đáp ứng nhu cầu người Một vấn đề nghiên cứu nhằm thỏa mãn nhu cầu người tiết kiệm chi phí thời buổi tài nguyên ngày khan việc điều khiển đèn sinh hoạt, lao động người Việc giám sát điều khiển ánh sáng nhà, công ty, nhà máy xí nghiệp… vấn đề vơ quan trọng xã hội Bởi vì, việc điều khiển đèn thủ cơng cơng tắc khơng cịn thuận tiện tiết kiệm nữa, nhiều nguyên nhân khách quan chủ quan Khách quan trời tối khó khăn cho việc bật cơng tắc, lại khó khăn… chủ quan quên hay tâm lý người đèn công ty, trường học nên họ khơng quan tâm…điều gây lãng phí điện lớn, đặc biệt hoàn cảnh nước ta thiếu điện trầm trọng Mục đích: Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý hoạt động điều khiển đèn cảm biến hồng ngoại dựa nhu cầu tiết kiệm điện, thuận tiện, hạn chế điều khiển thủ công Phạm vi đối tượng đề tài: 3.1 Phạm vi: Đề tài nghiên cứu thi công mạch cảm biến hồng ngoại sử dụng cảm biến hồng ngoại IR 3.2 Đối tượng: - Nguyên lý làm việc cảm biến hồng ngoại IR Các tài liệu linh kiện, IC Các tài liệu thi công, lắp ráp mạch Nhiệm vụ: Nghiên cứu sở lý thuyết thiết kế mạch sử dụng cảm biến hồng ngoại IR Nhóm: 21 Lớp DT4B Tìm hiểu việc thi cơng sử dụng mạch cảm biến thực tế Lắp ráp mạch cảm biến hồng ngoại hoạt động tốt có chức theo mục đích đề Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu thiết bị linh kiện Điện – Điện Tử Nghiên cứu lý luận việc thiết kế sử dụng thiết bị cơng nghiệp Những đóng góp báo cáo: Đề tài báo cáo khơng góp phần củng cố kiến thức vi điều khiển cho sinh viên mà phát huy khả sáng tạo thực tế lắp ráp mạch Cấu trúc báo cáo: Chương I: Giới thiệu hồng ngoại cảm biến hồng ngoại Chương II: Cấu trúc phần cứng mạch cảm biến hồng ngoại Chương III: Phần mềm điều khiển GVHD: T.S Đặng Văn Hải Nhóm: 21 Lớp DT4B PHẦN B: NỘI DUNG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỒNG NGOẠI VÀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 1.1 Hồng ngoại gì? Hồng ngoại xạ lượng với tần số thấp tần số mà mắt nhìn thấy, khơng thể nhìn thấy Bước sóng hồng ngoại vào khoảng 0,8µm - 0,9µm có vận tốc truyền vận tốc ánh sáng Hồng ngoại ứng dụng rộng rãi đo nhiệt độ, phát nhiệt đăc biệt lĩnh vực truyền thông Công nghệ hồng ngoại tìm thấy nhiều sản phẩm cơng nghiệp đời sống Ví dụ, truyền hình có máy dị hồng ngoại để phân tích tín hiệu từ điều khiển từ xa, Dùng an ninh, giám sát vật chuyển động Những lợi ích cảm biến hồng ngoại bao gồm yêu cầu điện thấp, mạch đơn giản, tính di động Mọi vật có nhiệt độ lớn 0K phát tia hồng ngoại.Trong kĩ thuật, nguồn phát sóng hồng ngoại nhiều như: Led hồng ngoại, lazer bán dẫn… Tuy nhiên, led hồng ngoại sử dụng rộng rãi có hiệu suất lượng tử cao Hiện thị trường có nhiều thiết bị thu sóng hồng ngoại như: Photo diode, cds, 1.2 Cảm biến hồng ngoại Trong bộ cảm biến hồng ngoại có hai bộ phận đặt ngang dùng ghi nhận sự biến đổi của các tia sáng hồng ngoại, bị kích thích bởi tia hồng ngoại, nó sẽ phát tín hiệu điện, tín hiệu này qua một transistor FET và được khuếch đại cho xuất tín hiệu chân Out Do bộ cảm biến hồng ngoại có dùng linh kiện khuếch đại FET nên hoạt động, nó phải được cấp nguồn nuôi Một chân cho nối masse, một chân cho nối vào đường nguồn DC và một chân cho tín hiệu Nguyên lý làm việc cảm biến hồng ngoại sau: Các nguồn nhiệt (với người vật nguồn thân nhiệt) phát tia hồng ngoại, qua kính GVHD: T.S Đặng Văn Hải Nhóm: 21 Lớp DT4B 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 1.3 Cảm biến IR gì? Cảm biến IR (cảm biến hồng ngoại) thiết bị điện tử, phát ánh sáng để cảm nhận số đối tượng môi trường xung quanh Cảm biến IR đo nhiệt vật thể phát chuyển động Thông thường, quang phổ hồng ngoại, tất vật thể xạ số dạng xạ nhiệt Những loại xạ mắt khơng nhìn thấy được, cảm biến hồng ngoại phát Bộ phát đơn giản đèn LED hồng ngoại (Light Emitting Diode) phát đơn giản điốt quang IR Điốt quang nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại có bước sóng phát đèn LED hồng ngoại Khi ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điốt quang, điện trở điện áp đầu thay đổi tương ứng với độ lớn ánh sáng hồng ngoại nhận Có năm yếu tố sử dụng hệ thống phát hồng ngoại điển hình: nguồn hồng ngoại, phương tiện truyền dẫn, thành phần quang học, đầu dò máy thu hồng ngoại xử lý tín hiệu Laser hồng ngoại đèn LED hồng ngoại có bước sóng cụ thể sử dụng làm nguồn hồng ngoại Ba loại phương tiện sử dụng để truyền tia hồng ngoại chân khơng, khí sợi quang học Các thành phần quang học sử dụng để tập trung xạ hồng ngoại hạn chế phản ứng quang phổ 1.3.1 Các loại cảm biến IR Hiện IR Sensor chia thành loại sau: → Cảm biến hồng ngoại chủ động Nó cấu tạo gồm diode phát sáng (LED) máy thu Khi có vật thể đến gần với cảm biến thiết bị chủ động phát ánh sáng hồng ngoại từ đèn Led phản xạ vào vật thể trở lại mà người nhận nhận GVHD: T.S Đặng Văn Hải Nhóm: 21 Lớp DT4B thấy Nó thường sử dụng cho hệ thống phát chướng ngại vật robot → Cảm biến hồng ngoại thụ động Đây thiết bị phát xạ hồng ngoại mà phát xạ từ vật thể khác người, động vật hay nguồn nhiệt Cảm biến thụ động phát vật thể phát xạ hồng ngoại chuyển tín hiệu thành báo động Vậy nên gọi thụ động phát không phát tia hồng ngoại 1.4 Cấu tạo cảm biến hồng ngoại Cấu tạo cảm biến hồng ngoại sau:  Đèn led hồng ngoại: Đây thiết bị phát từ nguồn sáng hồng ngoại  Máy dị hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu phát xạ hồng ngoại phản xạ trở lại  Điện trở: Là thiết bị có tác dụng cường độ dòng điện lớn chạy đèn led làm cho hệ thống chập cháy  Dây điện: Tác dụng kết nối chi tiết để tạo nên cảm biến hoạt động ổn định GVHD: T.S Đặng Văn Hải Nhóm: 21 Lớp DT4B 1.4.1 Sơ đồ mạch IR Sensor: Led phát hồng ngoại luôn phát sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại, led thu bình thường có nội trở lớn, led thu nhận tia hồng ngoại chiếu vào đủ lớn nội trở giảm xuống Trường hợp có vật cản phía trước chùm tia hồng ngoại đập vào vật cản phản xạ lại led thu làm cho thay đổi giá trị nội trở dẫn đến thay đổi mức điện áp phái đầu vào op amp Khi khoảng cách gần thay đổi lớn Và điện áp đầu vào không đảo đánh giá với giá trị điện áp không đổi ghim biến trở R3 Nếu giá trị điện áp đầu vào không đảo lớn đầu vào đảo, op amp xuất mức 1, áp đầu vào không đảo nhỏ đầu vào đảo, op amp xuất mức Khi điện trở R1, R2, R4 sử dụng để đảm bảo dòng điện tối thiểu mA qua thiết bị LED IR Photodiode, đèn Led thông thường Biến trở R3 dùng để điều chỉnh độ nhạy mạch 1.4.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị Về nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại khơng q phức GVHD: T.S Đặng Văn Hải Nhóm: 21 Lớp DT4B 2.3.3 Giao tiếp I2C LCD Arduino: Module I2C LCD 16×2  Arduino UNO GND GND VCC 5V SDA A4/SDA SCL A5/SCL Hình 2.3.2 Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16×2 GVHD: T.S Đặng Văn Hải Nhóm: 21 Lớp DT4B 16