Mô hình đo chiều cao người ứng dụng mạch arduino và cảm ứng biến siêu âm

MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, với phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, liên kết ngành kỹ thuật với công nghệ tự động phát triển nhanh chóng Và hầu hết lĩnh vực có liên kết Điều mang lại cho người nhiều tiện ích hơn, sống tiện nghi hơn, thoải mái hơn, an toàn Tự động điều khiển tự động, việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho thiết bị hoạt động máy móc, xử lý nhà máy, hệ thống tự động ứng dụng khác với người can thiệp tối thiểu giảm Tự động hóa thực phương tiện khác bao gồm khí, điện, điện tử máy tính… Lợi ích lớn tự động hóa tiết kiệm lao động Tuy nhiên, sử dụng để tiết kiệm lượng nguyên vật liệu nâng cao chất lượng độ xác Mơ hình đo chiều cao người ứng dụng mạch arduino cảm biến siêu âm hướng tới việc tự động hóa việc đo chiều cao người, thuận tiện cho người việc đo chiều cao Đặc biệt việc khám sức khỏe 1.2 Các kết nghiên cứu ngồi nƣớc Có số tác giả nước nước nghiên cứu vấn đề chủ yếu tác giả sử dụng để đo khoảng cách chủ yếu, có tác giả sử dụng để đo chiều cao người Sau số nhiều nhiều báo tác giả nước nghiên cứu lĩnh vực + O.Sreeja, Vineesha, Pallavi: Ultrasonic Sensor Height Detector February 2018 + RhutaMarathe, AmrutaKulkarni, UtkarshaDevkar: Portable Automatic Height Detector October 2014 1.3 Mục tiêu thực đề tài Thiết kế mơ hình đo chiều cao người sử dụng mạch arduino để điều khiển, cảm biến siêu âm để nhân dạng khoảng cách, sử dụng LCD16x2 để hiển thị kết 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài - Thiết kế sơ đồ kết nối mơ hình Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM - Viết code cho mơ hình - Xây dựng mơ hình đo chiều cao người hoàn chỉnh 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết board Arduino, lý thuyết cảm biến siêu âm, lý thuyết LCD 16x2 - Nghiên cứu thực nghiệm Thiết kế, thi công ứng dụng mạch Arduino cảm biến siêu âm để đo chiều cao người hiển thị LCD 1.6 Ý nghĩa thực tiễn phạm vi ứng dụng đề tài Mơ hình đo chiều cao người ứng dụng công nghệ tự động giúp cho người việc đo chiều cao nhanh hơn, tiện lợi hơn… Mô hình sử dụng mạch Arduino để điều khiển, sử dụng cảm biến siêu âm để xác định chiều cao sử dụng LCD để hiển thị chiều cao người cần đo Đề tài ứng dụng giảng dạy học tập môn học : Vi điều khiển, Vi điều khiển nâng cao… Dùng làm mơ hình để sinh viên tham khảo môn Cảm biến đo lường Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Lý thuyết mạch Arduino Arduino bo mạch vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên Ý thiết kế đưa vào năm 2005 Mạch Arduino sử dụng để cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngoài mạch cịn có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, cảm biến siêu âm … để tăng khả ứng dụng mạch Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM, Atmel 32bit… Hiện nay, phần cứng Arduino có tất phiên Tuy nhiên phiên thường sử dụng nhiều Arduino Uno Arduino Mega Arduino Uno sử dụng rộng rãi giới, nhiều ví dụ youtube trang hướng dẫn Arduino sử dụng mạch Vì bạn học Arduino, việc chọn Arduino Uno giúp bạn tự học dễ dàng Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino phần mềm IDE Đây phần mềm mã nguồn mở, download từ trang web Arduino Hiện giới có nhiều kênh youtube nhiều trang web, nhân chuyên hướng dẫn chia miễn phí dự án Arduino Vì bạn có vốn tiếng Anh tự học từ internet, từ trang web nước Ở Việt Nam có nhiều trang web kênh youtube hướng dẫn tự học Arduino Bản thân tác giả có kênh youtube để chia sẻ code dự án Arduino Hiện Việt Nam giới có nhiều bo mạch vi điều khiển khác Tuy nhiên Arduino có số ưu điểm mà khiến trở nên tiếng sử dụng rộng rãi giới Những ưu điểm là: rẻ, tương thích với nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rõ ràng, dễ sử dụng, sử dụng mã nguồn mở kết hợp với nhiều module khác Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MÔ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Hình 2.1: Mạch Arduino UN0 R3 2.1.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) 2.1.2 Các chân lƣợng mạch Arduino R3 - GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với - 5V: Cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA - 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA - Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND - IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức cấp nguồn - RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Lƣu ý: - Arduino UNO khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do bạn phải cẩn thận, kiểm tra cực âm – dương nguồn trước cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào làm Arduino không sử dụng Trong thời gian đầu tìm hiểu tốt sử dụng nguồn cấp qua cổng USB - Các chân 3.3V 5V Arduino chân dùng để cấp nguồn cho thiết bị khác, chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí làm hỏng board - Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp 6V làm hỏng board Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM - Cấp điện áp 13V vào chân RESET board làm hỏng vi điều khiển ATmega328 - Cường độ dòng điện vào/ra tất chân Digital Analog Arduino UNO vượt 200mA làm hỏng vi điều khiển - Cấp điệp áp 5.5V vào chân Digital Analog Arduino UNO làm hỏng vi điều khiển - Cường độ dòng điện qua chân Digital Analog Arduino UNO vượt 40mA làm hỏng vi điều khiển Do không dùng để truyền nhận liệu, bạn phải mắc điện trở hạn dòng 2.1.3 Bộ nhớ Arduino Uno R3 Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: - 32KB nhớ Flash: đoạn lệnh bạn lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Sẽ có khoảng vài KB số dùng cho bootloader thường phải sử dụng q 20kb nhớ - 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến bạn khai báo lập trình lưu Bạn khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Tuy vậy, thực nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Chú ý: điện, liệu SRAM bị - 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): tương tự ổ cứng mini – nơi đọc ghi liệu vào mà lo bị mất điện giống liệu SRAM 2.1.4 Cổng vào/ra Arduino Uno R3 Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Hình 2.2: Cổng ra/vào arduino Một số chân digital có chức đặc biệt sau: - chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng chân không cần thiết - Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác - Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM - LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng - Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, bạn để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit - Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 2.2 Lý thuyết cảm biến siêu âm 2.2.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm hoạt động cách loài dơi bay vào ban đêm, chúng khơng nhìn thấy cách phát sóng âm chúng tránh vật cản bay với tốc độ cực nhanh Khi sóng âm lồi dơi tiếp xúc vật cản xung tín hiệu báo lại với chúng để chúng tránh Từ ta hình dung cách hoạt động Cảm biến siêu âm dựa nguyên lý phát sóng âm ngồi Khi sóng âm tiếp cận tới vật thể (chất lỏng nước, nước thải, chất lỏng dạng kết dính…, chất rắn hạt nhựa, cát, đá, xi măng, bột, cám gạo…) phát tín hiệu xung đưa cảm biến Sau cảm biến chuyển đổi tín hiệu đưa thành tín hiệu dịng 4-20 mA tiếp tục truyền tới thiết bị kết nối để phát tín hiệu kết đo cho người dùng Cấu tạo gồm phần: Phần phát tín hiệu Các đầu phát đầu thu siêu âm loa gốm chế tạo đặc biệt, hoạt động phát siêu âm có cường độ cao tần số (thường 40kHz cho ứng dụng đo khoảng cách) Các loa cần có nguồn tín hiệu điều khiển có điện áp cao phát tốt (theo datasheet ~ 30V) Chính phần phát, phần đệm cơng Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MÔ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM suất sử dụng MAX232 làm nhiệm vụ đệm Nó lấy tín hiệu từ điều khiển, khuếch đại biên độ lên +/-30V cung cấp cho loa gốm Để tiết kiệm nguồn cho module cảm biến, phần cấp điện cho MAX232 điều khiển thông qua transistor PNP, không hoạt động, điều khiển làm cho tran ngưng dẫn, hạn chế tiêu thụ dịng Phần thu tín hiệu Khi loa gốm làm đầu thu (loa chế tạo nhạy với tần số đó40KHz) thu sóng siêu âm, phát điện hai cực Điện nhỏ, đưa qua OPAM, TL072 (Một số module dụng LM324…) Tín hiệu liên tục khuých đại biên độ cuối đưa qua so sánh, kết hợp với tín hiệu từ điều khiển để đưa điều khiển thông qua transistor NPN Phần xử lý, điều khiển Phần xử lý, điều khiển thường sử dụng vi điều khiển (PIC16F688, STC11, ) làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính tốn thời gian từ phát đến thu sóng siêu âm phát nhận tín hiệu TRIG Đến nguyên lý hoạt động thông thường cảm biến biết ( cấp xung TRIG, chờ đo độ rộng xung ECHO để tính tốn thời gian ) 2.2.2 Cảm biến siêu âm SRF05  Thông số kỹ thuật - Điện áp vào: 5V - Dòng tiêu thụ: Chân 12 mạch arduino 2.4.2 Sơ đồ kết nối LCD với mạch Arduino - Chân liệu D4 - D7 LCD nối với chân 8,9,10,11 mạch arduino - Chân RS LCD nối với chân mạch arduino - Chân Enable LCD nối với chân mạch arduino Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 15 MÔ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Hình 2.6: Sơ đồ kết nối cảm biến với mạch arduino Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 16 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Chƣơng 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Xây dựng phần cứng mơ hình 3.1.1 Xây dựng sơ đồ mạch kết nối mơ hình Hình 3.1: Sơ đồ kết nối mơ hình Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 17 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM 3.1.2 Thiết kế phần khung mô hình Hình 3.2: Khung mơ hình Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 18 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Hình 3.3: Phần hiển thị kết Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 19 MÔ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Hình 3.4: Phần cảm biến Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 20 MÔ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM 3.2 Xây dựng phần mềm điều khiển 3.2.1 Chƣơng trình giao tiếp LCD với mạch arduino - Khai báo thư viện LCD #include - Khai báo chân mạch arduino kết nối với chân LCD LiquidCrystal lcd(6,7,8,9,10,11); + Chân RS nối với chân mạch arduino + Chân E nối với chân mạch arduino + Chân D4-D7 nối với chân 8-11 mạch arduino - Khai báo LCD 16x2 LCD.begin(16,2); - Lệnh đưa vị trí (0,0) LCD.setCursor(0,0); - Lệnh xuất hình LCD LCD.print("My Timer:"); 3.2.2 Chƣơng trình giao tiếp cảm biến siêu âm với mạch arduino - Khái báo chân cảm biến kết nối với mạch arduino #define TRIG_PIN 13 #define ECHO_PIN 12 - Khai báo chế độ hoạt động cảm biến siêu âm digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); - Tính quảng đường cảm biến tiếp xúc vật thể duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, TIME_OUT); 3.2.3 Chƣơng trình mơ hình #include ; LiquidCrystal lcd(6,7,8,9,10,11); #define TRIG_PIN 13 #define ECHO_PIN 12 #define TIME_OUT 5000 Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 21 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM float GetHeight() { long duration, HeightCm; digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, TIME_OUT); HeightCm = 200- (duration / 58.2); return HeightCm; } void setup() { lcd.begin (16,2); Serial.begin(9600); pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); pinMode(ECHO_PIN, INPUT); } void loop() { long Height = GetHeight(); if (Height >= 200) { Serial.println("Echo time out !!"); lcd.clear(); lcd.setCursor(3,0); lcd.print("Wellcome!!!"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Measuring Please!!"); } else { Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 22 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Serial.print("Height of Human (cm): "); Serial.println(Height); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Height of Human: "); lcd.setCursor(5,1); lcd.print(Height); lcd.print(" cm"); } delay(1000); 3.3 Kết thực nghiệm - Người cần đo chiều cao đứng cảm biến siêu âm, cảm biến nhận biết khoảng cách từ cảm biến tới đầu người - Chiều cao người = chiều cao khung mơ hình – khoảng cách cảm biến đo - Mơ hình đo chiều cao tối đa 2m - Tiến hành đo chiều cao người thơng qua hình 3.5 hình 3.6 Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 23 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Hình 3.5: Đo chiều cao người Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 24 MÔ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Hình 3.6: Kết đo chiều cao Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 25 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Qua tháng thực đề tài, công việc giảng dạy nhiều chủ nhiệm đề tài cố gắng hoàn thành đề tài thời hạn Đề tài mơ hình đo chiều cao người ứng dụng ảm biến siêu âm mạch arduino đạt số kết sau: + Đã hồn thành mơ hình đo chiều cao người + Viết code cho mạch điều khiển trung tâm + Đo chiều cao người + Hiển thị chiều cao người LCD Mặc dù đề tài đạt kết bước đầu đề Tuy nhiên, đề tài số vấn đề cần giải đề cần khác phục để đo chiều cao xác Hƣớng phát triển đề tài Nhằm nâng cao chất lượng đảm bảo độ độ xác kết đo chiều cao người cần phát triển đề tài khía cạnh sau: + Sử dụng hình LCD lớn + Sử dụng cảm biến chất lượng tốt + Có thể hiển thị thơng số lên máy tính điện thoại Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 26 MƠ HÌNH ĐO CHIỀU CAO NGƢỜI ỨNG DỤNG MẠCH ARDUINO VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tham khảo website: http://www.toptechboy.com [2] Tham khảo website: http://www arduino.vn [3] Tham khảo website: https://howtomechatronics.com Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 27