Hệ thống Nhà Thông minh sử dụng cảm biến LDR, cảm biến DHT11, cảm biến chuyển động, cảm biến khí gas, sử dụng Blynk điều khiển.Đề tài “Điều khiển thiết bị điện sử dụng Arduino” mà nhóm đang hướng đến tuy không quá mới mẻ nhưng hứa hẹn sẽ đem đến cho người sử dụng những ứng dụng tốt nhất của công nghệ này. Đề tài gồm 3 chương: Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BO MẠCH ARDUINO
2.1.1 Lịch sử Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành.
Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển Rch hợp (IDE) chạy trên các máy Rnh cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
Khi arduino chưa ra đời, để làm được một dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình, biên dịch, chúng ta cần đến sự hỗ trợ của các thiết bị biên dịch khác để hỗ trợ Ví dụ như, dùng Vi điều khiển PIC hoặc IC vi điều khiển họ 8051 , chúng ta phải thiết kế chân nạp onboard, hoặc mua các thiết bị hỗ trợ nạp và biên dịch như mạch nạp 8051, mạch nạp PIC
Hiện nay Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi Từ học sinh trung học, đến sinh viên và người đi làm Những dự án nhỏ và lớn được thực hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẻ nhiều trên diễn dàn trong nước và nước ngoài Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội.
Cứ như vậy, thư viện mã nguồn mở ngày một tăng lên, giúp ích cho rất nhiều người mới biết đến Arduino cũng như những chuyên viên lập trình nhúng và chuyên gia cùng tham khảo và xây dựng tiếp nối
Bạn muốn thiết kế điều khiển thiết bị thông qua cảm biến ánh sáng, Đo nồng độ hóa chất, khí ga và xử lý thông qua cảm biến nồng độ và cảm biến khí, Bạn muốn làm 1 con robot mini, Bạn muốn quản lý tắt mở thiết bị điện trong nhà, bạn muốn điều khiển motor, nhận dạng ID, Khó hơn xíu là bạn muốn làm một máy CNC hoặc máy in 3D mini, máy bay không người lái
( Flycam) một hệ thống thu thập dữ liệu thông qua GSM, xử lý ảnh,điều khiển vạn vật thông qua internet giao tiếp với điện thoại thông minh Để làm được điều đó, từ đơn giản đến phức tạp bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino dựa trên sơ đồ, hệ thống của bạn thiết kế, thông qua phần mềm Arduino IDE, để thực hiện những yêu cầu đó đưa về bộ phận xử lý trung tâm ( Arduino).
Arduino UNO là dòng bo mạch được sử dụng phổ biến trong lập trình Arduino, hiện đã phát triển đến phiên bản thế hệ thứ 3 (R3) Đây được coi là bo mạch khởi đầu tốt nhất cho những người mới bắt đầu làm quen với Arduino Mặc dù Arduino Nano cũng là một lựa chọn khả dụng, nhưng Arduino UNO vẫn được khuyến nghị hơn cho người mới bắt đầu.
Arduino Uno R3 được sử dụng vi điều khiển ATmega328, tương thích với hầu hết các loại Arduino Shield trên thị trường, có thể gắn thêm các module mở rộng để thực hiện thêm các chức năng như điều khiển motor, kết nối wifi hay các chức năng khác
Sử dụng ngôn ngữ lập trình C,C++ hoặc Arudino, một ngôn ngữ bắt nguồn từ C,C++ trên phần mềm riêng cho lập trình Arduino IDE.
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO.
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này.
Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân
RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
Bộ nhớ flash 32KB: Các lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ flash của vi điều khiển Một phần nhỏ bộ nhớ này (vài KB) được dành riêng cho trình nạp khởi động Tuy nhiên, bạn hiếm khi cần dùng đến hơn 20KB bộ nhớ này.
TÌM HIỂU VỀ PROTEUS
Phần mềm Proteus cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, … các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR,
Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS (Intelligent Schematic Input System) cho phép mô phỏng mạch và ARES (Advanced Routing and Editing Software) dùng để vẽ mạch in.
Hình 2 4 Phần mềm Proteus 8 Professional
2.2.2 Mô phỏng Arduino trên Proteus
CẢM BIẾN VÀ CÁC MODULE CHỨC NĂNG
2.3.1 Cảm biến ánh sáng (LDR)
Cảm biến ánh sáng là thiết bị quang điện chuyển đổi ánh sáng (bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng dạng tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện Nó là một dạng thiết bị cảm biến thông minh có thể nhận biết được các biến đổi của môi trường thông qua mắt cảm biến Từ đó, nó sẽ điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp.
Hình 2 6 Cảm biến ánh sáng quang trở
Cảm biến này có thể nhận biết và điều chỉnh ánh sáng dựa trên các đi ốt quang học Cảm biến ánh sáng được gọi là “thiết bị quang điện” hay “cảm biến ảnh vì năng lượng được chuyển đổi từ phonto sang electron.
Model: VELT-W-LUX-I4 ngõ ra 4-20mA.
VELT-W-LUX-V10 ngõ ra 0-10VDC
VELT-W-LUX-RS ngõ ra RS485.
Cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là hiện tượng một số chất đặc biệt sau khi hấp thụ ánh sáng sẽ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Hiệu ứng quang điện có thể được chia thành:
- Hiệu ứng quang điện trong: Hiện tượng quang điện trong thường diễn ra với chất bán dẫn
Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu, năng lượng này sẽ làm thay đổi điện trở suất bên trong vật liệu gây ra suất điện động làm thay đổi tính chất điện của vật liệu.
Hiệu ứng quang điện ngoài xảy ra khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật liệu khiến các electron hấp thụ năng lượng và bật ra bên ngoài bề mặt, tạo thành dòng điện.
Hiện nay trên nhiều thiết bị thông minh, cảm biến ánh sáng được ứng dụng vào với vai trò:
Kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn thông minh trong gia đình. Điều chỉnh đèn nền của các thiết bị điện tử như tivi, màn hình máy tính, máy tính bảng, đèn nền LCD, máy ảnh kỹ thuật số,
Kiểm soát tiết kiệm năng lượng của các thiết bị chiếu sáng cảm ứng, đồ chơi hoặc các màn hình quảng cáo ngoài trời,
2.3.2 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm (DHT11) truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo và độ chính xác kém hơn rất nhiều.
Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).
Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)
Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)
Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 có kích thước nhỏ gọn (15mm x 12mm x 5,5mm) Đối với cảm biến độ ẩm, nó hoạt động bằng cách đo sự thay đổi điện dung giữa hai điện cực khi độ ẩm thay đổi Trong khi đó, cảm biến nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, giúp giá trị điện trở của cảm biến giảm xuống khi nhiệt độ tăng Những giá trị điện trở thay đổi này được IC trong cảm biến đo và xử lý thành tín hiệu kỹ thuật số để dễ dàng sử dụng.
Phạm vi nhiệt độ của DHT11 là từ 0 đến 50 độ C với độ chính xác 2 độ Phạm vi độ ẩm của cảm biến này là từ 20 đến 80% với độ chính xác 5% Tốc độ lấy mẫu của cảm biến này là 1Hz I.e nó cho một lần đọc cho mỗi giây DHT11 có kích thước nhỏ với điện áp hoạt động từ 3 đến 5 vôn Dòng điện tối đa được sử dụng trong khi đo là 2,5mA. Ứng dụng
Cảm biến này được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như đo độ ẩm và giá trị nhiệt độ trong hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí Các trạm thời tiết cũng sử dụng các cảm biến này để dự đoán điều kiện thời tiết Sinh lý cao tuổi cảm biến được sử dụng như một biện pháp phòng ngừa trong những ngôi nhà có người bị ảnh hưởng bởi độ ẩm Văn phòng, ô tô, bảo tàng, nhà kính và các ngành công nghiệp sử dụng cảm biến này để đo giá trị độ ẩm và như một biện pháp an toàn.
Kích thước nhỏ gọn và tốc độ lấy mẫu đã khiến cảm biến này trở nên phổ biến đối với những người có sở thích Một số cảm biến có thể được sử dụng thay thế cho cảm biến DHT11 là DHT22, AM2302, SHT71.
2.3.3 Cảm biến chuyển động (PIR sensor)
Cảm biến PIR (Passive InfraRed sensor) là loại cảm biến thụ động sử dụng tia hồng ngoại (IR) làm nguồn kích thích Tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể nóng, bao gồm cả cơ thể sống Do cơ thể con người luôn có thân nhiệt ở mức 37 độ C nên sẽ liên tục tỏa ra tia hồng ngoại Cảm biến PIR dựa vào đặc tính này để phát hiện sự chuyển động của các vật thể nóng bằng cách cảm biến các tia hồng ngoại mà chúng phát ra.
Hình 2 8 Cảm biến chuyển động
Phạm vi phát hiện : góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m.
Điện áp hoạt động : DC 3.8V - 5V
Mức tiêu thụ dòng: ≤ 50 uA
Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng biến trở.
Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở. trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động Ứng dụng
- Dùng trong cho an ninh: phát hiện người trong khoảng cách cho phép.
- Dùng để điều khiển tự động các thiết bị trong nhà khi có người: đèn điện, cửa…
2.3.4 Cảm biến khí gas (MQ-2)
Cảm biến khí gas MQ-2 hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi điện trở của lớp cảm biến SnO2 Khi không có khí cháy, SnO2 có độ dẫn điện thấp Khi xuất hiện khí cháy, độ dẫn điện của SnO2 tăng lên do sự tương tác hóa học giữa oxy trong khí với các ion oxy bám trên bề mặt SnO2 Cường độ dòng điện qua cảm biến sẽ tăng theo nồng độ khí cháy, cho phép chuyển đổi tín hiệu điện trở thành tín hiệu điện tương ứng.
Cảm biến khí gas MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau.
Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở
Hình 2 9 Cảm biến khí gas
Phạm vi phát hiện rộng
Tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao
Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài
Tích hợp MQ –5 gas Sensor.
+ Tín hiệu thấp : có khí gas.
+ Tín hiệu cao : không có khí gas.
- Tín hiệu AOUT: cho tín hiệu tương tự.
Và khi có khí gas 2 đèn LED trên module sẽ phát sáng Ứng dụng
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐẶC TẢ HỆ THỐNG
Xuất phát từ nhu cầu mở rộng quy mô ứng dụng hệ thống nhà thông minh không chỉ tập trung cho các nhà biệt thự, khách sạn… phục vụ cho các tầng lớp giàu có thượng lưu, mà còn đem lại cho người có mức thu nhập trung bình có được cơ hội sở hữu ngôi nhà thông minh với một số tính năng tự động nhất định của riêng mình trong khả năng kinh tế có hạn Vì vậy trong phạm vi của đề tài đề xuất xây dựng mô hình điều khiển thiết bị điện dân dụng, đảm bảo cho ngôi nhà có được một số tính năng tự động như sau:
Bật tắt hệ thống chiếu sáng tự động thông qua cảm biến chuyển động và cảm biến ánh sáng.
Bật tắt điều hòa, máy quạt tự động sử dụng cảm biến nhiệt độ. Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thông minh Điều khiển rèm cửa bằng cảm biến ánh sáng Điện trở của LDR thay đổi theo lượng ánh sáng chiếu vào nó Điện trở tăng khi có ít ánh sáng xung quanh và giảm khi có ánh sáng chói Trời càng tối, điện áp rơi trên LDR càng cao Điện trở tối đa của mỗi LDR có thể khác nhau tùy thuộc vào loại LDR nhưng nó thường từ 1kΩ đến 10kΩ mặc dù nó có thể cao hơn.
Mạch hoạt động dựa trên nguyên lý phân chia điện áp, khi điện trở quang (LDR) và điện trở tạo thành bộ chia điện áp Điện áp sụt trên LDR tỉ lệ thuận với điện trở của LDR, và điện trở này lại tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào LDR.
Chiết áp và LDR tạo thành mạch Phân chia tiềm năng Khi trời tối hơn, điện trở của LDR tăng và điện áp giảm trên nó tăng Điện áp này được gửi đến Pin A0 của Arduino để chuyển đổi
Hình 3 1 Mô tả nguyên lý hoạt động cảm biến ánh sáng
Về cơ bản, LDR cảm nhận lượng ánh sáng xung quanh và thông báo cho Arduino Arduino được lập trình để mở rèm khi trời không có nắng và kéo rèm khi có ánh sáng nhiều xung quanh. Điều khiển đèn bằng càm biến chuyển động
Khi có một con vật đi ngang, từ thân con vật sẽ luôn phát ra tia nhiệt, nó được tiêu tụ mạnh với kính Fresnel và rồi tiêu tụ trên bia là cảm biến hồng ngoại, vậy khi con vật đi ngang, ở ngả ra của đầu dò chúng ta sẽ thậy Xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu này sẽ được cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động. Điều khiển điều hòa, máy quạt bằng cảm biến nhiệt độ
Tự động hóa bật tắt quạt bằng rơ le giúp bạn tiết kiệm điện năng hiệu quả Hệ thống này sẽ kích hoạt quạt khi nhiệt độ phòng tăng cao và tắt khi nhiệt độ phòng giảm, giúp duy trì sự thoải mái mà không lãng phí điện.
Hình 3 3 Mô tả nguyên lý hoạt động DHT11
Phát hiện rò rỉ gas bằng cảm biến khí gas
Khả năng phát hiện khí của cảm biến Gas phụ thuộc vào chemiresister (điện trở hóa trị) để dẫn dòng điện Chemiresistor được sử dụng phổ biến nhất là Thiếc Dioxit (SnO2), là một chấtbán dẫn loại N có các điện tử tự do (còn được gọi là chất cho) Thông thường trong không khí chứa nhiều oxy hơn các khí dễ cháy Các phần tử oxy sẽ thu hút các điện tử tự do có trong SnO2 và đẩy chúng lên bề mặt của SnO2 Vì không có electron tự do nên dòng điện đầu ra sẽ bằng không
Khi đặt cảm biến trong môi trường khí độc hoặc dễ cháy, khí khử này (màu da cam) phản ứng với các phần tử oxy bị hấp phụ và phá vỡ liên kết hóa học giữa oxy và các điện tử tự do, do đó giải phóng các điện tử tự do Khi các điện tử tự do trở lại vị trí ban đầu, chúng có thể dẫn dòng điện, sự dẫn điện này sẽ tỷ lệ thuận với số lượng điện tử tự do có sẵn trong SnO2, nếu khí
SƠ ĐỒ HỆ THỐNG
3.2.1 Sơ đồ khối thành phần
Hình 3 5 Sơ đồ đấu nối
XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Hình 3 7 Code cảm biến ánh sáng void anhsang()
{ lcd.clear(); for(int i=0;i
