Báo cáo học phần nhập môn về kĩ thuật đề tài nghiên cứu, thiết kế mô hình đèn led nháy theo nhạc sử dụng arduino

Trang 2 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁNSTTNội dungNgười thựchiệnThời gianGhi chú1 Thành lập nhóm, đề xuất ý tưởng, phân tích và lựa chọn ý tưởng.Cả nhóm 23/10/2023 -30/10/20232 Tìm hiểu những k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐÈN LED NHÁY

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

hiện

Thời gian Ghi chú

1 Thành lập nhóm, đề xuất ý tưởng, phân

31/10/2023 - 05/11/2023

3 Tìm hiểu mua kinh kiện Vũ Văn chiến 31/10/2023 - 5/11/2023

4 Tìm hiểu những kiến thức về các cảm biến

trong đề tài

Nguyễn Quỳnh Anh

6/11/2023 - 13/11/2023

6 Thiết kế sơ đồ khối Nguyễn Văn

Tuấn Anh

14/11/2023- 21/11/2023

7 Thiết kế mạch nguyên

lý

Trần Xuân Bắc

21/11/2023

Đặc biệt nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn

Đắc Hải đã hướng dẫn cho nhóm em những kiến thức, kỹ năng cơ bản cần có

để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Sau cùng nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đãđộng viên, cổ vũ và đóng góp ý kiến trong quá trình học tập, nghiên cứu cũngnhư quá trình làm thực tập tốt nghiệp

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đồ án, vì kiến thức chuyên ngànhcòn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu, đánh giá và trình bày về

đề tài Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô giảng viên bộmôn để đề tài của nhóm em được dầy đủ và hoàn chỉnh hơn

Nhóm xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng đèn led nháy theo nhạc 5

1.1.2 Các mô hình led nháy theo nhạc đang được áp dụng hiện nay 6

1.1.3 Vấn đề mà đề tài đồ án cần tập trung nghiên cứu 9

1.2 NỘI DUNG LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 10

1.2.1 Tổng quan về mạch Arduino 10

1.2.2 Mục tiêu và đề tại tập trung nghiện cứu 10

1.2.3 Tổng quan về cảm biến âm thanh ky-037 22

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH 23

2.1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN 23

2.1.1 Mục tiêu thiết kế 23

2.1.2 Điều kiện ràng buộc của thiết kế 23

2.1.3 Thông số kỹ thuật 23

2.1.4 Tiêu chí đánh giá sản phẩm 23

2.2 THIẾT KẾ Ý TƯỞNG 24

2.2.1 Đề xuất giải pháp 24

2.2.2 Phân tích các giải pháp thiết kế 25

2.2.3 Lựa chọn giải pháp tối ưu 26

2.3 THIẾT KẾ CHI TIẾT 27

2.3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống 27

2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động 27

2.3.1.3 Lưu đồ thuật toán 28

2.3.1.4 Giải thích lưu đồ 29

Thiết kế mạch nguyên lý của hệ thống 33

2.3.2 Lập trình hệ thống 46

2.3.3 Kết quả 46

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 51

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 52

3.1 VẬN HÀNH SẢN PHẨM 52

3.2 Đánh giá sản phẩm 52

3.2.1 Kết quả đạt được 52

3.2.2 Ưu điểm 53

3.2.3 Nhược điểm 53

3.2.4 Hướng khắc phục 54

3.3 ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM 56

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 56

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 62

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành đề tài này em có tham khảo một số tài liệu liên quan đến

vi điều khiển arduino uno và cảm biến ky-037

Nhóm em xin cam đoan đồ án này là do em thực hiện, các số liệu và kếtquả nghiên cứu trong đề tài này là trung thực Mọi sự giúp đỡ cho bài báo cáonày đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong bài báo cáo đã được ghinguồn gốc rõ ràng

Hà Nội, tháng năm 2023 Nhóm sinh viên thực hiện

Trần Xuân BắcNguyễn Văn Tuấn AnhNguyễn Quỳnh Anh

Vũ Văn ChiếnNguyễn Văn Bắc

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thế kỷ 21 – thời kì 4.0 mở ra đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc củacông nghệ và đánh dấu sự mở đầu của những thiết bị thông minh như smartphone, smart TV, … đều là những thiết bị ngày càng phổ biến và thông dụngtrong đời sống hằng ngày

Tiếp nối thành công của những thiết bị thông minh ấy, những sản phẩmtrang trí công nghệ cao cũng dần hình thành và phát triển mạnh mẽ, hệ thốngled trang trí là một sản phẩm rất phổ biến hiện nay

Với sự phát triển của kinh tế đi cùng đó là những nhu cầu về đời sống xãhội và tinh thần những sản phẩm từ led dùng để trang trí ngày càng được phổcập và không ngừng cải tiến dựa trên nhu cầu đó loại hình sản phẩm led nháytheo nhạc đã được hình thành và phát triển

Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao dựa trên nhu cầu công nghệhiện nay, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức chúng em đãhọc, kế thừa và phát huy những kết quả của các công trình nghiên cứu trướcđây

Xuất phát từ những thực tế nói nên nhóm em quyết định lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế mô hình led nháy theo nhạc sử dụng arduino” làm

đề tài đồ án kết thúc môn nhập môn kỹ thuật

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài đó là ứng dụng tối đa khả năng của côngnghệ vào đời sống phục vụ nhu cầu giải trí với những hiệu ứng âm thanh kếthợp ánh sáng Bên cạnh đó, việc nghiên cứu đồ án cũng giúp nhóm phát triểnbản thân, khả năng làm việc nhóm và khả năng của từng cá nhân, chứng minh

khả năng và sự hiểu biết cũng như những kiến thức đã được học từ các thầy

cô trong nhà trường để hoàn thiện đề tài của mình và giúp ích cho xã hội

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Vi điều khiển arduino uno

- Cảm biến âm thanh KY-037

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đề tài được nghiên cứu trong môi trường mô phỏng, mô hình, đồ án

- Đề tài được thực hiện trong vòng 02 tháng kể từ ngày nhận đề tài

- Tìm hiểu, và thực hiện những thao tác cơ bản với vi điều khiển arduino

 Với giới hạn của đề tài: “: Nghiên cứu thiết kế mô hình led nháy theonhạc sử dụng arduino” có những lĩnh vực chính cần nghiên cứu là:

o Điều khiển hệ thống led bằng arduino

o Tìm hiểu về phần mềm biên dịch IDE arduino

o Tìm hiểu về cảm biến âm thanh KY-037

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp thu thập thng tin: Đọc tài liệu từ giáo trình kết hợp tìmhiểu trên Internet và các nguồn tin cậy

- Phương pháp xử lý thông tin: Chọn lọc các thông tin cần thiết và ápdụng các thông tin từ tài liệu tìm kiếm được

- Phương pháp nghiên cứu định lượng: Tổng kết các kết quả nghiên cứu

cụ thể bằng những con số, số liệu, kết quả chính xác được rút ra từ quátrình điều tra, khảo sát…

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu đồ án này giúp nhóm bổ sung được

kinh nghiệm làm việc nhóm, khởi đầu và làm quen với những mạch điện tử

đơn giản, giúp thành viên trong nhóm đạt được những kiến thức cơ bản nhất

về lập trình nhúng

Giá trị thực tiễn: Để cuộc sống ngày càng hiện đại, nâng cao chất lượng

cuốc sống cả về vật chất và tinh thần, hướng đến một cuộc sống tiện lợi,thông minh, việc áp dụng công nghệ vào những sản phẩm trang trí toàn cầnthiết giúp cho chất lượng sống của con người cao hơn, hơn nữa cũng sẽ giúpphát triển chất lượng xã hội và cùng hội nhập với đà phát triển công nghệ trêntoàn thế giới.Với đề tài này, báo cáo của em gồm những nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết

Chương 2: Thiết kế mô led nháy nháy theo nhạc

Chương 3: Thử nghiệm và đánh giá

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng đèn led nháy theo nhạc.

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, nhu cầu của con ngườiđòi hỏi những sự tiện nghi và công nghệ giải trí Cùng với đó là sự mở rộngkhông ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổlàm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tấtyếu Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó, ý tưởng về đèn led nháy theonhạc được hình thành, giúp hoạt động giải trí của con người được nâng cao,tạo điểm nhấn bắt mắt cho khu vực trang trí

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp chiếu sáng.Thiết bị đèn LED chiếu sáng đã giải quyết được các vấn đề tồn tại trong chiếusáng truyền thống trước đây Những yêu cầu về thẩm mỹ của thiết bị chiếusáng, tính đa dạng trong thiết kế, linh hoạt trong cách lắp đặt đều được côngnghệ đèn Led đáp ứng một cách tuyệt vời

Mạch đèn led nháy theo nhạc là thiết bị được sử dụng rất nhiều và trongcác quán karaoke, bar thì sản phẩm hay được sử dụng là mạch led nháy theonhạc full color đây là thiết bị gần như bất cứ cơ sở kinh doanh nào cũng sửdụng, ngoài tác dụng làm đẹp cho không gian của cửa hàng thì mạch đèn lednháy theo nhạc còn thu hút khách hàng, tạo sự thoải mái thích thú khi đứnggiữa không gian với các âm thanh sôi động kèm theo sự lung linh của ánh đènLed kết hợp với các hiệu ứng đẹp mắt, chính vì vậy có thể nói đây là thiết bịnên có của bất cứ cơ sở kinh doanh dịch vụ giải trí nào

Hình 1.1 Mô hình tổng quát chung của đèn led [1]

1.1.2 Các mô hình đèn led nháy theo nhạc đang được áp dụng hiện nay

Thông số kỹ thuật [3]

 Mạch dùng cho các loai LED 5V, 12V LED dây (ruồi)

 Mạch cho bảng LED đấu kiểu dương chung (tất cả dương LED đấuchung về dương nguồn)

 Số kênh: 8

 Công suất mỗi kênh 40A (vói IRF3708)

 Nguồn nuôi 5VDC hoăc 12VDC

 Có bảo vệ ngược nguồn

 Tầng điều khiển dùng AT89xxxx (AT89C51/52….)

 Tầng công suất dùng IRF3708

Hình 1.2 Mạch Led 8 kênh [2]

 Tầng driver MOSFET được thiết kế đặc biệt, tín hiệu điều khiển đượckích lên mức thích hợp để IRF mở tối đa, đóng hoàn toàn, không nóng,mạch hoạt động ổn định không bị treo.

 Tín hiệu điều khiển không đảo (vi điều khiển AT89 xuất ra mức logic

“1” thì mở kênh, mức “0” thì khoá kênh)

 Tần số dao động 12MHz (thạch anh 12M)

 Có hỗ trợ lập trình On-board (dùng mạch nạp PgSPI)

 Tương thích với phần mềm tạo hiệu ứng Ledimm Mỗi kênh có mộtLED hiển thị trạng thái, LED được nối vào đầu ra của MOSFET, nếuMOSFET mở thì đèn sáng, MOSFET khoá thì đèn tắt

Tính năng: [3]

Với cùng một yêu cầu ánh sáng thì đèn LED sử dụng ít điện năng hơn so vớinhững đèn phóng điện truyền thống vì có hiệu suất phát sáng cao hơn khoảng10%, suy giảm ánh sáng qua kính đèn, bộ phận phản quang…

– Tuổi thọ của đèn LED cao sẽ làm giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng bảo trì hệthống chiếu sáng hiện nay

– Với chỉ số hoàn màu cao, ánh sáng được kiểm soát tốt, đèn LED thực sự sẽcải thiện tầm nhìn của người quan sát, tạo cảm giác thoải mái hơn khi thamgia lưu thông trên đường

– Đèn LED có khả năng kiểm soát quang học cao giúp cho ánh sáng có tínhđịnh hướng tốt, hướng đến những nơi cần thiết nên sẽ tránh được tình trạng ônhiễm ánh sáng

– Chiếu sáng bằng đèn Led giảm khí thải CO2, không có đô ̣c thủy ngân là mô ̣tlợi thế rõ ràng

– Dễ dàng điều khiển tiết kiệm điện năng (Dimming): đèn LED có nhiềulợi thế so với các loại đèn phóng điện thông thường như khả năng khởi độngnhanh, tích hợp công nghệ điện tử nên rất dễ dàng trong việc điều khiển tiếtkiệm điện năng và điều khiển thông minh

1.1.3 Vấn đề mà đề tài đồ án cần tập trung nghiên cứu

Đèn led nháy theo nhạc là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra Tùytheo mục đích sử dụng của chủ nhân để thiết kế, một phần quan trọng trong

hệ thống led là hệ thống điều khiển và bền bỉ, trong đồ án này nhóm em đãliệt kê được những vấn đề như sau:

1.2 NỘI DUNG LÝ THUYẾT LIÊN QUAN.

1.2.1 Tổng quan về mạch Arduino

Hình 1.2 Mạch Arduino [4]

Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Nó bao gồm nhiều tính năng hữu ích, bao gồm một bộ vi xử lý AVR 8-bit, các chân input/output kỹ thuật số và analog, kết nối USB và ICSP, và các chân PWM và UART [4]

Cấu Tạo chi tiết của mạch Arduino: [5]

 Cáp USB: Bao gồm đầu cắm cổng USB mạch Arduino và 1 đầu cắm cổng USB máy tính.

 IC Atmega 16U2

 Cổng nguồn ngoài

 Cổng USB

 Nút reset

 ICSP của Atmega 16U2

 Chân xuất tín hiệu ra

 IC Atmega 328

 Chân ICSP của Atmega328

 Chân lấy tín hiệu Analog

 Chân cấp nguồn cho cảm biến

Ứng dụng [6]

Bảng vi điều khiển Arduino phổ biến nhất là model Uno Điều này một phần do đây là một trong những sản phẩm đầu tiên nên nó đã được áp dụng rộng rãi trước khi các thiết kế tiếp theo được tạo ra.

 Làm Robot Arduino có khả năng đọc các thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ… nên nó thường được dùng để làm bộ xử

lý trung tâm của rất nhiều loại robot.

 Game tương tác: Arduino có thể được sử dụng để tương tác với Joystick, màn hình… khi chơi các game như Tetrix, phá

 Máy bay không người lái.

 Điều khiển đèn tín hiệu giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy trên các biển quảng cáo…

 Điều khiển các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh.

1.2.2 Mục tiêu mà đề tài đồ án cần tập trung nghiên cứu

Led nháy theo nhạc là một đề tai thú vị dành cho những tân sinh viêntiếp xúc với những nhóm ngành về điện tử, mục tiêu của đề tài:

 Giúp cho sinh viên nắm được kỹ năng làm việc nhóm

 Học hỏi được những kiến thức cơ bản nhất về lập trình nhúng

 Tiếp xúc làm quen với một số vi điều khiển cơ bản như arduino

 Nghiên cứu về cách thức lắp đặt thiết bị ngoại vi với vi điềukhiển

1.2.3 Tổng quan về cảm biến âm thanh ky-037

Hình 1.3 Cảm biến âm thanh ky-037 [7]

âm thanh, khi cường độ âm thanh vượt qua 1 ngưỡng xác định (thay đổi được

bằng biến trở) thì ngõ ra sẽ được kéo xuống mức thấp, đồng thời có led báohiệu.[8]

Cấu hình chi tiết của cảm biến ky-037: [9]

Mạch cảm biến âm thanh KY-037 được thiết kế gồm 1 micro, 1 bộ so sánh opamp, và 2 ngõ ra:

A0: ngõ ra analog điện áp

D0: ngõ ra dạng digital (mức 0 hoặc 1)

Micro có độ nhạy cao, có đèn báo chỉ thị đầu ra DO

Có đèn Led báo cấp nguồn

Điện áp từ 3V - 5V, độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở trên mạch

Lỗ bắt vít 3mm trên mạch

Ứng dụng: Dùng cho các hệ thống đo lường cường độ âm thanh, sử

dụng phổ biến trong học tập của học sinh, sinh viên

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

- Đánh giá và đưa ra những ưu, nhược điểm của mô hình led theo nhạc

và lựa chọn hướng thiết kế

- Trình bày những mô hình led theo nhạc đã ứng dụng thành công vàođời sống

- Trình bày những nội dung lý thuyết về arduino, ky-037 dùng trong sảnphẩm

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐÈN LED NHÁY THEO NHẠC

2.1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN

2.1.1 Mục tiêu thiết kế

- Thiết kế được mô hình đèn led nháy theo nhạc

- Thiết kế đơn giản dễ dàng thực hiện, đẹp mắt

- Cải thiện kiến thức chuyên môn

2.1.2 Điều kiện ràng buộc của thiết kế

- Sử dụng nguồn hoạt động 5V cho các thiết bị và 3.3V cho các VĐK

- Các cảm biến hoạt động tốt, sai số ít

- Thời gian chờ nhận lệnh điều khiển < 1 giây

- Công suất của nguồn đủ lớn để hoạt động hệ thống

- Các mối hàn sạch đẹp chắc chắn

2.1.3 Thông số kỹ thuật

- Nguồn đầu vào: 12V

- Nguồn nuôi cảm biến và các thiết bị: 5V

- Nguồn nuôi vi điều khiển: 3.3V

- Mô hình sản phẩm giống với bản thiết kế

- Sản phẩm hoạt động tốt, ít xảy ra lỗi

- Mối hàn chắc chắn

Sơ đồ thiết kế

Hình 2.5 Sơ đồ tổng quan giải pháp 2

2.2.2 Phân tích các giải pháp thiết kế

- Phụ thuộc vào dây kết nối tới loa mới có thể hoạt động

- Khối lượng công việc rất ít không thích hợp để làm việc nhóm

- Khi led hỏng cần thay thế gần như phải thực hiện lại toàn bộ quá trình

- Không thể thay đổi phong cách của led

Giải pháp 2

Ưu điểm:

- Sản phẩm hoạt động độc lập không cần dây cắm tới loa

- Dễ dàng thay đôi phong cách của led

- Khi ked hư hại có thể thay thế rất đơn giản

Nhược điểm:

- Chi phí cao

- Led có thể chạy lệch nhạc do các tạp âm từ môi trường ảnh hưởng tớicảm biến

- Tương đối phức tạp cần nhiều thời gian thực hiện

2.2.3 Lựa chọn giải pháp tối ưu

Từ những phân tích trên, nhóm chúng em quyết định lựa chọn giải pháp

2 để thiết kế sản phẩm vì nó đáp ứng được nhu cầu của sản phẩm

2.3 THIẾT KẾ CHI TIẾT

Từ việc lựa chọn giải pháp nêu trên nhóm sẽ phân chia hệ thống thànhcác phần như sau:

2.3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống led theo nhạc

2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi cung cấp nguồn vào cho arduino cùng lúc qua chân 5V của arduino

sẽ cấp nguồn cho cảm biến ky-037 và hệ thống led Khi cảm biến phát hiệnđược tín hiệu âm thanh từ môi trường sẽ chuyền tín hiệu về arduino, dựa vàocường độ tín hiệu nhận được mà arduino sẽ có nhiệm vụ tạo xung để kíchhoạt đèn led hoạt động