Đề tài nhà thông minh sử dụng cảm biến nhiệt độ và ánh sáng

Tại nơi này, mạch điện nhà thông minh đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu độc đáo, nơi những cải tiến công nghệ đang hình thành một bức tranh vô cùng hứa hẹn.Trong ngữ cảnh này, việc tí

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI – 2023

Mục lục

Lời nói đầu 3

Phần.I Giới thiệu 4

1.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

2.1 Giới thiệu tổng quát về mạch 4

Phần.II Mô tả mạch và linh kiện 5

2.1 Mô tả mạch 5

1 Arduino UNO R3: 5

2 Cảm biến DHT11: 5

3 Màn hình LCD 1602 với giao tiếp I2C: 5

4 Relay: 5

5 Quạt thông gió: 5

6 Module cảm biến ánh sáng đầu ra số (DO): 6

7 Nguồn điện: 6

8 Các kết nối cáp: 6

2.2 Mô hình mô phỏng 7

2.3 Linh kiện và chức năng 8

A Arduino R3 8

B LCD 1602 11

C Giao thức I2C 13

D Module Relay 5V 1 kênh 15

E DHT11 17

F Động cơ DC 19

Phần III Kết luận chung 22

Lời nói đầu

Trong thời đại ngày nay, sự bùng nổ của công nghệ thông tin và truyền thông

đã mở ra một thế giới mới của những tiện ích và ứng dụng thông minh, đặc biệt là trong lĩnh vực nhà ở Được biết đến với cái tên "Nhà Thông Minh," không gian sốnghiện đại không chỉ là nơi an cư mà còn là trung tâm của sự tương tác linh hoạt và tiện lợi Tại nơi này, mạch điện nhà thông minh đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu độc đáo, nơi những cải tiến công nghệ đang hình thành một bức tranh vô cùng hứa hẹn

Trong ngữ cảnh này, việc tích hợp cảm biến nhiệt độ và ánh sáng trong các mạch điện nhà thông minh đã mở ra những triển vọng mới trong việc quản lý năng lượng và tối ưu hóa môi trường sống Cảm biến nhiệt độ không chỉ giúp đo lường vàkiểm soát nhiệt độ môi trường mà còn tạo ra cơ hội để điều chỉnh hệ thống làm lạnh

và sưởi ấm một cách hiệu quả Đồng thời, cảm biến ánh sáng có khả năng theo dõi cường độ ánh sáng tự nhiên, từ đó đưa ra quyết định về việc sử dụng đèn nhân tạo

và quản lý tốt nguồn ánh sáng tự nhiên, giúp tiết kiệm năng lượng và tạo ra môi trường sống thuận tiện

Nghiên cứu này mục tiêu tìm hiểu sâu rộng về cách mà mạch điện nhà thông minh, tích hợp cảm biến nhiệt độ và ánh sáng, có thể đóng góp vào việc tối ưu hóa môi trường sống Chúng tôi sẽ đánh giá hiệu suất của hệ thống này dựa trên nhiều yếu tố như tiết kiệm năng lượng, thoải mái cho người sử dụng, và ảnh hưởng đối vớibảo vệ môi trường

Nhưng không chỉ là về việc kiểm soát nhiệt độ và ánh sáng, nghiên cứu này còn nhấn mạnh vào khả năng tương tác và đồng bộ hóa với các thiết bị và ứng dụng thông minh khác trong nhà, như hệ thống an ninh, giải trí, và quản lý năng lượng tổng thể Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là không chỉ tạo ra một môi trường sống

"thông minh" mà còn làm cho nó trở nên thông minh hơn theo thời gian, dựa trên việc học máy và sự hiểu biết sâu sắc về các mô hình sử dụng của người dùng

Chúng tôi kỳ vọng rằng nghiên cứu này sẽ không chỉ là một đóng góp cho lĩnhvực nghiên cứu về nhà thông minh mà còn sẽ mang lại giá trị thực tế cho người sử dụng cuối cùng, hướng dẫn cho sự phát triển của các giải pháp công nghệ tiên tiến trong ngôi nhà của tương lai

Phần.I Giới thiệu

1.1Mục tiêu nghiên cứu.

Nghiên cứu nhằm đặt ra một loạt các mục tiêu để đánh giá hiệu suất của mạch điện nhà thông minh tích hợp cảm biến nhiệt độ và ánh sáng Đầu tiên, tập trung vàokhả năng tiết kiệm năng lượng bằng cách tự động điều chỉnh nhiệt độ và ánh sáng Tiếp theo, nghiên cứu đánh giá cảm nhận và thoải mái của người sử dụng trong môi trường sống điều chỉnh bởi hệ thống

Mục tiêu cũng bao gồm việc quản lý môi trường để tạo ra một ngôi nhà bền vững, cũng như khả năng tích hợp và tương tác với các thiết bị và ứng dụng thông minh khác Cuối cùng, nghiên cứu tập trung vào sự kết hợp của học máy và dữ liệu

từ cảm biến để cải thiện dự đoán và hiệu suất của hệ thống theo thời gian Đây là bước quan trọng để xây dựng một môi trường sống thông minh, tiết kiệm năng lượng và bền vững trong ngôi nhà của tương lai

2.1Giới thiệu tổng quát về mạch.

Mạch kiểm soát nhiệt độ bằng Arduino là một hệ thống tự động được thiết kế

để duy trì điều kiện môi trường ổn định Mục tiêu của hệ thống là điều khiển tốc độ quay của quạt phụ thuộc vào dữ liệu đo từ cảm biến nhiệt độ, giúp giảm thiểu tác hạicủa nhiệt độ môi trường lên các các thiết bị nhạy cảm đến sự biến đổi của điều kiện môi trường

Hệ thống sử dụng một loạt các linh kiện và cảm biến để đo và điều khiển điều kiện môi trường Cảm biến DHT11 được sử dụng để đo nhiệt độ, cảm biến ánh sáng đầu ra số (DO) để đo lường mức độ ánh sáng trong môi trường xung quanh ArduinoUNO R3 là bộ não của hệ thống, đọc dữ liệu từ cảm biến quyết định tốc độ quay củaquạt thông gió và bật tắt đèn thông qua việc điều khiển một relay

Màn hình LCD 1602 với giao tiếp I2C được sử dụng để hiển thị thông tin nhiệt độ và độ ẩm lên màn hình, cho phép người dùng dễ dàng theo dõi điều kiện môi trường Hệ thống cũng có khả năng đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11 và hiển thị trạng thái của quạt trên màn hình

2.1Mô tả mạch

1 Arduino UNO R3:

Chức năng: Arduino UNO R3 là bộ điều khiển chính của hệ thống Nó đọc

dữ liệu từ cảm biến DHT11, quyết định khi nào bật hoặc tắt quạt thông gió

và hiển thị thông tin lên màn hình LCD

-Kết nố: Arduino được nối với các linh kiện khác thông qua các chân số (Digital Pins) và các chân analog (Analog Pins)

2 Cảm biến DHT11:

- Chức năng: Cảm biến DHT11 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm trong

tủ lưu trữ

- Kết nối: Cảm biến DHT11 có ba chân: VCC (+), Data (chuyển đổi dữ liệu),

và GND (-) Chân Data nối với chân số 2 trên Arduino để truyền dữ liệu

3 Màn hình LCD 1602 với giao tiếp I2C:

- Chức năng: Màn hình LCD 1602 được sử dụng để hiển thị thông tin về nhiệt độ và độ ẩm Giao tiếp I2C giúp giảm số lượng chân kết nối

- Kết nối: Màn hình LCD kết nối với Arduino thông qua chân A4 (SDA) và chân A5 (SCL) để giao tiếp I2C

4 Relay:

- Chức năng: Relay là một công tắc điện tử có khả năng bật hoặc tắt nguồn điện cho quạt thông gió

- Kết nối: Relay nối với Arduino thông qua một chân số (Digital Pin),

thường là chân số 3 trên Arduino Nguồn điện 5V cung cấp năng lượng cho relay và quạt

5 Quạt thông gió:

- Chức năng: Quạt được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ bên trong tủ chống

ẩm Khi bật, quạt làm mát môi trường

- Kết nối: Quạt được nối với relay, và relay điều khiển nguồn điện cho quạt

6 Module cảm biến ánh sáng đầu ra số (DO):

- Chức năng: Được sử dụng để đo lường mức độ ánh sáng trong môi trường xung quanh và chuyển đổi giá trị đo được thành đầu ra số

- Kết nối: +)Kết nối một chân của cảm biến ánh sáng với pin 5V trên

Arduino +)Kết nối chân còn lại của cảm biến ánh sáng với chân GND Ground) trên Arduino

+)Kết nối giữa chân trung tâm của cảm biến ánh sáng và một chân nào đó trên Arduino, chẳng hạn chân A0 (analog pin 0)

- Kết nối: Các cáp dây được sử dụng để nối các linh kiện với nhau, đảm bảo

dữ liệu và điện áp chuyển đổi hiệu quả

Hệ thống hoạt động như sau: Arduino đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11 về nhiệt

độ và độ ẩm, sau đó quyết định bật hoặc tắt quạt thông gió dựa trên giá trị nhiệt

độ so với ngưỡng được cài đặt Màn hình LCD 1602 hiển thị thông tin nhiệt độ

và độ ẩm, cùng với trạng thái của quạt Relay được sử dụng để điều khiển nguồn điện cho quạt thông qua việc bật hoặc tắt

2.2 Mô hình mô phỏng

2.3 Linh kiện và chức năng.

A. Arduino R3

Khi nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình hay nghiên cứu chế tạo thì dòng đầu tiên mà người ta thường tìm hiểu đó chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Nếu bạn là người mới tìm hiểu thì tôi khuyên bạn nên sử dụng Arduino Uno R3 để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của mình hơn là các dòng Arduino khác vì dòng Arduino Uno R3 có kích thước nhỏ gọn, đầy đủ tính năng và rất dễ sử dụng đối với những người mới tiếp cận về lập trình

 Thông số kỹ thuật

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bitĐiện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mAĐiện 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 6 (độ phân giải 10bit)Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mADòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng

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 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

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

B. LCD 1602

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602(Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ,…

Thông số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:

Chức năng của từng chân LCD 1602:

● Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều

khiển

● Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của

mạch điều khiển

● Chân số 3 - VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD

● Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic

"1":

● + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế

độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

● + Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong

LCD

● Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với

logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc

● Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên

bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này như sau:

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong

khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh

(dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)

● Chân số 15 - A : nguồn dương cho đèn nền

● Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn nền

C. Giao thức I2C

Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit) là một giao thức truyền thông seri (serial

communication protocol) phổ biến được sử dụng để kết nối và truyền dữ liệu giữa các vi mạch điện tử như vi xử lý, cảm biến, hiển thị và nhiều thiết bị khác Khi sử dụng giao thức I2C để kết nối một màn hình LCD1602 (hoặc LCD 16x2) với một vi xử lý, bạn cần tuân theo các quy tắc cơ bản sau:

● Thiết bị I2C: Màn hình LCD1602 cần hỗ trợ giao thức I2C hoặc cần có một

bộ chuyển đổi I2C để kết nối với vi xử lý thông qua I2C Bộ chuyển đổi I2C thường sử dụng để giảm số lượng chân kết nối cần thiết

● Địa chỉ thiết bị: Mỗi thiết bị I2C phải có một địa chỉ duy nhất để xác định

nó trên bus I2C Địa chỉ này có thể được cấu hình trên màn hình LCD1602

và thông qua chân ADDR trên bộ chuyển đổi I2C (nếu có) Thông thường, màn hình LCD1602 sử dụng địa chỉ mặc định là 0x27 hoặc 0x3F

● Dây kết nối: Kết nối dây đồng trục (SCL và SDA) từ vi xử lý của bạn đến

màn hình LCD1602 hoặc bộ chuyển đổi I2C Chân SCL (Serial Clock) là dây đồng hồ, và chân SDA (Serial Data) là dây truyền dữ liệu

● Thư viện và mã điều khiển: Sử dụng thư viện I2C cho vi xử lý của bạn, ví

dụ như Wire.h (đối với Arduino), để truyền và nhận dữ liệu từ màn hình LCD1602 Bạn cần viết mã điều khiển để hiển thị thông tin trên màn hình LCD1602, chẳng hạn như văn bản, số, ký tự và các lệnh khác nhau để thiết lập vị trí và chế độ hoạt động

● Nguồn cấp: Cung cấp nguồn điện cho màn hình LCD1602 thông qua chân

VCC và GND, và kết nối dây nguồn (3.3V hoặc 5V, tùy theo yêu cầu của màn hình) và đất của vi xử lý của bạn

● Pull-up resistor: Trong giao thức I2C, cần sử dụng pull-up resistor trên các

● Thông số kỹ thuật: Cần tham khảo tài liệu của màn hình LCD1602 và

hướng dẫn sử dụng cụ thể để biết về cách thiết lập, sử dụng và tương tác với màn hình này thông qua giao thức I2C

D. Module Relay 5V 1 kênh.

Điện áp nuôi : 5VDC /12VDC Tiếp điểm relay 220V 10A (Lưu ý tiếp

điểm, không phải điện áp ra)Tín hiệu vào điều khiển: 0V

Tín hiệu là 0: thì Relay đóng

Tín hiệu là 1 : thì Relay mở

NC : Thường đóngNO: Thường mởCOM: Chân chung

Ký hiệu nguồn:

● VCC, GND là nguồn nuôi Relay

● In là chân tín hiệu điều khiển

E. DHT11

DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm Cảm biến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như Arduino,

Raspberry Pi, để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức

DHT11 là một cảm biến độ ẩm tương đối Để đo không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung

Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11:

Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng

kỹ thuật số

Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer

1 VCC Cấp nguồn cho cảm biến 3.3VDC – 5VDC

2 Data Đầu ra tín hiệu của cảm biến

Sơ đồ chân DHT11

● Tính năng

Cảm Biến Nhiệt Độ Và Độ Ẩm DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chiphí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây 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

Thông số kỹ thuật DHT11:

● Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC

● Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA

● -Kích thước: 23 * 12 * 5 mm

F. Động cơ DC

Động cơ DC (DC là viết tắtcủa từ Direct Current Motors) haycòn gọi là động cơ điện một chiềuchính là động cơ được điều khiểnbằng dòng có hướng xác định.Cũng có thể nói dễ hiểu hơn thìđây là một loại động cơ chạy bằngnguồn điện áp DC – điện áp 1chiều (Khác với những điện áp

AC xoay chiều) Đầu dây ra củađộng cơ này thường gồm có haidây (dây nguồn – VCC và dây tiếp đất – GND) DC motor là một loại động cơ một chiềuvới động cơ quay liên tục

Khi bạn cung cấp năng lượng thì động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển từ điện năngthành cơ năng Hầu hết những động cơ DC cũng sẽ quay với cường độ RPM vô cùng cao(tức số vòng quay/phút) Tốc độ không tải của động cơ DC nếu như không giảm tốc thì

có thể đạt từ 1000RPM đến 40.000RPM

Một ví dụ về động cơ DC chính là có tốc độ quay lên đến 22.000RPM cùng hộpgiảm tốc Planet Ứng dụng của động cơ DC cũng vô cùng đa dạng và hầu như có mặttrong mọi lĩnh vực của đời sống Trong tivi, đài FM, máy in- photo, ổ đĩa DC, hay máycông nghiệp…v…v

Đối với động cơ điện 1 chiều thì có loại không chổi than (tức là Brushless DCMotor- BLDC) và động cơ có thêm chổi than (Brush DC Motor- DC Motor) Do động cơBLDC thực chất chính là động cơ điện 3 pha không đồng bộ do vậy chúng tôi chỉ xétđộng cơ điện 1 chiều có chổi than