Báo cáo cuối kỳ kỹ thuật chế tạo đề tài nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA: ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAOBỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO CUỐI KỲKỸ THUẬT CHẾ TẠO

ĐỀ TÀI

“NHÀ THÔNG MINH”

Giảng viên hướng dẫn: Võ Xuân TiếnSinh viên thực hiện

MỤC LỤC -1

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐANG NGHIÊM CỨU 3

1.1.Cảm biến quang học -3

1.1.1.Cấu tạo của vân tay quang học -3

1.1.2.Nguyên lý hoạt động của vân tay quang học -3

1.2.Cảm biến điện dung -4

1.2.1.Nguyên lý hoạt động của vân tay điện dung -4

1.3.Cảm biến sóng siêu âm -5

1.3.1.Cấu tạo cảm biến siêu âm -5

1.3.2.Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm -6

Chương 2: CÁC LOẠI CẢM BIẾN THỰC NGHIÊM -7

2.1.Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Fingerprint Sensor -7

2.1.1.Thông số kỹ thuật -8

2.1.2.Các chân kết nối -8

2.1.3.Sơ đồ nối chân -10

2.2.Cảm biến khoảng cách vật cản E18-D80NK -12

5.3.Hướng phát triển -27

Chương 1 : TỔNG QUAN CÁC NGUYÊN LÝ CHẾ TẠOCẢM BIẾN ĐANG NGHIÊM CỨU

1.1 Cảm biến quang học

1.1.1 Cấu tạo của vân tay quang học

Vân tay quang học được xác định bằng cách sử dụng ánh sáng hồng ngoại để quét vân tay Thiết bị quét vân tay quang học bao gồm các thành phần chính sau:

Cảm biến hình ảnh: Cảm biến hình ảnh được sử dụng để chụp ảnh vân

tay Cảm biến này có thể là cảm biến CCD (Charge-Coupled Device) hoặc cảm biến CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

Nguồn sáng hồng ngoại: Nguồn sáng hồng ngoại được s`ử dụng để

chiếu ánh sáng lên vân tay Ánh sáng hồng ngoại này không gây ảnh hưởng đến mắt người và không làm hại cho tế bào da.

Bộ xử lý hình ảnh: Bộ xử lý hình ảnh được sử dụng để phân tích và so

sánh các đặc điểm của vân tay với các mẫu vân tay đã được lưu trữ.

Phần mềm điều khiển: Phần mềm điều khiển được sử dụng để kết nối

thiết bị vân tay với máy tính và để quản lý dữ liệu vân tay.

Bề mặt quét: Bề mặt quét là nơi để người dùng đặt tay lên để quét vân

tay Bề mặt này thường được làm bằng chất liệu chống trầy xước và có độ bền cao để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của thiết bị quét vân tay.

1.1.2.Nguyên lý hoạt động của vân tay quang học

Nguyên lý hoạt động của vân tay quang học là sử dụng ánh sáng hồng ngoại để quét và thu thập các đặc trưng của vân tay, sau đó sử dụng bộ xử lý để so sánh các đặc trưng này với dữ liệu vân tay đã lưu trữ để xác định danh tính của người dùng.

Nguyên lý hoạt động của vân tay quang học là sử dụng ánh sáng hồng ngoại để

Cụ thể, khi người dùng đặt tay lên bề mặt quét, thiết bị quét vân tay sử dụng nguồn sáng hồng ngoại để chiếu ánh sáng lên tay Ánh sáng này sẽ được phản xạ lại từ các điểm khác nhau trên bề mặt da và các đường nét vân tay Cảm biến hình ảnh sẽ nhận các tín hiệu phản xạ này và tạo ra một hình ảnh kỹ thuật số của vân tay.

Bộ xử lý hình ảnh sẽ phân tích hình ảnh vân tay để xác định các đặc trưng của nó, chẳng hạn như hình dạng và chiều dài của các đường nét vân tay, số lượng và vị trí của các điểm giao nhau, các khoảng cách giữa các đặc trưng Các đặc trưng này được lưu trữ dưới dạng mẫu vân tay.

Khi người dùng cố gắng xác thực bằng vân tay, thiết bị sẽ quét và thu thập các đặc trưng của vân tay của họ và so sánh chúng với các mẫu vân tay đã lưu trữ Nếu các đặc trưng khớp với mẫu vân tay, thiết bị sẽ cho phép truy cập Nếu không, truy cập sẽ bị từ chối.

1.2 Cảm biến điện dung

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của vân tay điện dung

Cảm biết loại này dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, bề mặt cảm biến sẽ được bố trí một ma trận tụ điện, ma trận này sẽ có nhiệm vụ tái tạo lại hình ảnh vân tay khi được lấy mẫu Khi ngón tay của người dùng đặt trên bề mặt cảm biến, ngay lập tức nó sẽ tạo nên sự thay đổi điện dung trong từng con tụ trên ma trận tụ điện, tùy vào độ nông sâu của dấu vân tay ở từng điểm mà trị số tụ điện sẽ khác nhau Dựa vào trị số điện dung ở từng node hệ thống sẽ dựng lại ảnh vân tay trên ngón vừa lấy mẫu để gửi về khối xử lý và so sánh

Cảm biết loại này dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, bề mặt cảm biến sẽ được bố trí một ma trận tụ điện, ma trận này sẽ có nhiệm vụ tái tạo lại hình ảnh vân tay khi được lấy mẫu Khi ngón tay của người dùng đặt trên bề mặt cảm biến, ngay lập tức nó sẽ tạo nên sự thay đổi điện dung trong từng con tụ trên ma

sẽ khác nhau Dựa vào trị số điện dung ở từng node hệ thống sẽ dựng lại ảnh vân tay trên ngón vừa lấy mẫu để gửi về khối xử lý và so sánh

1.3 Cảm biến sóng siêu âm

1.3.1.Cấu tạo cảm biến siêu âm

Cảm biến sẽ gồm có bộ phận đảm nhận chức năng phát ra sóng siêu âm bằng một đầu dò công suất nhỏ có thể phát ra tín hiệu.

Đầu dò siêu âm có nhiều loại khác nhau như đầu dò thẳng (sóng dọc), đầu dò ngang (sóng ngang), đầu dò kép (1 đầu dùng để dò tín hiệu, 1 đầu dùng để phát tín hiệu), đầu dò sóng bề mặt,… Tất cả những đầu dò này đều có chung cấu tạo cảm biến siêu âm như sau:

 Máy phát: Có chức năng tạo sóng siêu âm và thực hiện lan truyền vào

không khí Máy được rung bằng máy rung (làm từ chất liệu gốm, sở hữu đường kính 15mm).

 Bộ máy thu: Lúc máy rung nhận sóng siêu âm sẽ tạo ra rung động cơ

học tương ứng với sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện tại đầu ra của máy thu.

 Điều khiển: Bộ phận này sẽ truyền siêu âm của máy phát bằng cách sử

dụng mạch tích hợp và cũng thực hiện đánh giá xem máy thu có nhận được tín hiệu và kích thước của tín hiệu thu hay không.

 Nguồn điện: Cung cấp thường xuyên siêu âm cảm biến là nguồn điện

DC bên ngoài với điện áp là PCB ± 10% hoặc 24 V ± 10%, được cung cấp thông qua mạch ổn áp bên trong.

1.3.2.Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Siêu âm cảm biến hoạt động dựa theo nguyên tắc cho và nhận, nghĩa là chính bản thân cảm biến sẽ liên tục phát ra sóng với tốc độ của sóng siêu âm.

Lúc bước sóng gặp phải vật cản sẽ phản hồi ngược trở lại bước sóng này, đồng nghĩa với việc cảm biến siêu âm sẽ nhận lại bước sóng phản hồi này và đồng thời phân tích để biết được khoảng cách từ vật cản đến cảm biến

Chương 2 : CÁC LOẠI CẢM BIẾN THỰC NGHIÊM 2.1 Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Fingerprint Sensor

Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Fingerprint Sensor sử dụng giao tiếp UART TTL hoặc USB để giao tiếp với Vi điều khiển hoặc kết nối trực tiếp với máy tính (thông qua mạch chuyển USB-UART hoặc giao tiếp USB).

Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Fingerprint Sensor được tích hợp nhân xử lý nhận dạng vân tay phía trong, tự động gán vân tay với 1 chuỗi data và truyền qua giao tiếp UART ra ngoài nên hoàn toàn không cần các thao tác xử lý hình ảnh, đơn giản chỉ là phát lệnh đọc/ghi và so sánh chuỗi UART nên rất dễ sử dụng và lập trình.

2.1.1 Thông số kỹ thuật

 Điện áp sử dụng: 3.0~3.6VDC (thường cấp 3.3VDC, lưu ý quan trọng nếu cấp lớn hơn 3.3VDC cảm biến sẽ cháy ngay lập tức).

 Tốc độ Baudrate UART: 9600 x N (N từ 1~12), mặc định N=6 baudrate = 57600,8,1.

 USB communication: 2.0 full speed

 Sensor image size (pixel): 256 x 288 pixels

 Image processing time (s): <0.4s

 Power-on delay (s): <0.1s (the module needs about 0.1S to initialize

after power on)

 Job search time (s): <0.3s

 FRR (rejection rate): <1%

 FAR (recognition rate): <0.001%

 Fingerprint storage capacity: 300 (ID: 0 ~ 299)Sơ đồ chân:

2.1.2 Các chân kết nối

1 V+: chân cấp nguồn chính VCC 3.3VDC cho cảm biến hoạt động.2 Tx: Chân giao tiếp UART TTL TX

3 Rx: Chân giao tiếp UART TTL RX

4 GND: Chân cấp nguồn GND (Mass / 0VDC)

5 TCH: Chân Output của cảm biến chạm Touch, khi chạm tay vào cảm

biến chân này sẽ xuất ra mức cao High, để sử dụng tính năng này cần cấp nguồn 3.3VDC cho chân Va

6 VA: Chân cấp nguồn 3.3VDC cho Touch Sensor.7 U+: Chân tín hiệu USB D+

8 U-: Chân tín hiệu USB

D-2.1.3 Sơ đồ nối chân

1 V+: Cấp nguồn 3.3VDC

2 Tx: nối với RX của Vi điều kiển (mức TTL từ 3.3~5VDC)3 Rx: nối với TX của Vi điều kiển (mức TTL từ 3.3~5VDC)4 GND: Cấp nguồn GND (Mass chung)

Để giao tiếp USB ta cần sử dụng các chân:

1 V+: Cấp nguồn 3.3VDC2 U+: Chân tín hiệu USB D+3 U-: Chân tín hiệu USB

D-4 GND: Cấp nguồn GND (Mass chung).

2.2 Cảm biến khoảng cách vật cản E18-D80NK

Cảm biến khoảng cách vật cản E18-D80NK dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt.

Cảm biến này có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở Được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: robot tránh chướng ngại vật, đếm sản phẩm trong dây chuyền, chống trộm,

 Chiều dài cảm biến: 45mm

 Chiều dài dây: 45cm

2.2.2.Sơ đồ chân

 Đỏ: nối nguồn cấp 4.5~5 VDC

 Vàng: Ngõ ra TTL có thể được nối với vi điều khiển

2.3 Động cơ Servo MG996R

Động cơ RC Servo MG996 180 độ là loại servo có mô men xoắn lớn,

chạy mượt mà, êm, phù hợp cho những mô hình điều khiển có tải trọng lớn như: mô hình máy bay, trực thăng, thuyền, cánh tay robot, robot nhện, Động cơ RC servo MG996 180 độ sử dụng chất liệu nhựa có độ bền cao, có bánh răng bằng đồng giúp cho động cơ hoạt động chính xác, đạt độ bền cao Tương thích hầu hết các kết nối chuẩn Futaba, Hitec, Sanwa, GWS etc…

2.3.1 Thông số kỹ thuật

 Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn

 Momen làm việc : 11kg/cm (tại điện áp 6V) , 9.4kg/cm (tại điện áp

 So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhưng hơi nhỏ hơn.

 Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v)

Việc điều khiển servo thường yêu cầu xung với thời gian khoảng 20ms, xung điều khiển góc trong phạm vi 0.5 – 2.5ms, với tổng thời gian là 2ms.

 - 0.5ms -> 0 độ  - 1.0ms – > 45 độ  - 1.5ms -> 90 độ  - 2.0ms -> 135 độ

2.3.2.Sơ đồ nối dây

Pin 8,9 Arduino - dây vàng servo5V Arduino - dây đỏ sevorGND - dây đen servo

1 Màu nâu Dây nối đất nối với đất của hệ thống

2 Màu đỏ Nguồn điện động cơ thường + 5V được sử dụng

3 Màu cam Tín hiệu PWM được đưa vào qua dây này để điều khiển động cơ

2.4 LCD 1602

LCD ký tự 16x2 chữ trắng nền xanh dương có IC điều khiển HD44780 Super Twisted Nematic (STN) LCD Giao tiếp đơn giản với 4 bit hoặc 8 bit Giao tiếp dễ dàng với các loại vi điều khiển và board Arduino, ATMEL AVR hoặc PIC.

2.4.1 Thông số kỹ thuật

 Chữ trắng nền xanh dương

 Điện áp hoạt động: +3.3VDC

 Đèn LED nền màu trắng

 Ký tự 5x8 dot

 IC điều khiển HD44780 hoặc tương đương

 Giao tiếp 4 or 8 bit

2.4.3 Sơ đồ nối dây

 15：A - 5v Arduino

 16：K - GN

2.4.4 Sơ đồ hoạt động

2.5 Còi buzzer

Còi Buzzer 5VDC có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, chất lượng tốt, được sản xuất nhỏ gọn phù hợp thiết kế với các mạch còi buzzer nhỏ gọn,

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

⮚ Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch hoạt động

⮚ Khối cảm biến: (bao gồm cảm biến tiệm cận E18-D80NK, Cảm biến

vân tay AS608,.

⮚ Khối xử lí trung tâm: Arduino điều khiển các cảm biến, các hoạt

động của mạch như: điều khiển cấp nguồn cho khối hiển thị, kiểm soát tín hiệu khi đưa ra khối hiển thị…

⮚ Khối hiển thị : màn hình LCD hiển thị thông tin, dữ liệu cần báo⮚ Khối Cơ cấu chấp hành: Giúp cho cửa mở như servo MG996r

3.3.Tính toán số liệu

 Nguồn 5V từ arduino UNO

 E18-D80NK điện áp hoạt động 5V với dòng điện tiêu thụ 10-40mA

 AS608, điện áp động 3.3V với dòng tiêu thụ 25mA

 Điều khiển 2 servo MG996r có điện áp 5V với dòng mỗi con 25 mA

 2 đèn led thông báo 5v với dòng 10mA

 Led trần nhà 20mA

 Màn mình LCD hiển thị với điện áp 5VDC

 Còi buzzer với điện áp 5V

Chương 4: ỨNG DỤNG

Các thiết bị trong mô hình và mục đích sử dụng cảm biến vào mô hình:

1.Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Fingerprint Sensor:

- Để đọc bề mặt vân tay, mở khóa cửa, bật đèn nhà.

2.Cảm biến khoảng cách vật cản E18-D80NK

- Xác định có người sử dụng nhà

- Muốn sử dụng được nhà thì phải kích hoạt cảm biến tiệm cận và cảm biến vân tay cùng lúc

3 Động cơ Servo MG996R

- Điều khiển cửa đóng, mở.

4 Đèn led xanh lá: dùng để thông báo cửa đã mở

5.Led RGB: dùng để cảnh báo nhập vân tay sai 3 lần.

6.Còi Buzzer dùng để phát âm thanh khi nhập sai vân tay 3 lần.

Video làm sản phẩm:

btcb.mp4

Chương 5: NHẬN XÉT- KẾT QUẢ-ĐÁNH GIÁ

 Có cơ hội được vận dụng cũng như rèn luyện những kiến thức đã học để tạo ra những sản phẩm công nghệ có ích cho cuộc sống.

 Trau dồi kỹ năng làm việc nhóm

Về kiến thức:

 Có thêm kiến thức, hiểu biết về các vi điều khiển, các cảm biến, về cách thức chế tạo và lên ý tưởng

Mô hình vẫn còn một số hạn chế như sau:

 Chưa tối ưu mặt thẩm mỹ, code chưa tối ưu hoàn chỉnh cho các trường hợp  Chưa xử lý được dữ liệu khi nhiều bàn order cùng lúc

Trong tương lai, nhóm sẽ tiếp tục cải tiến và thay đổi để phù hợp với thực trạng cũng như là môi trường làm việc của nhà thông minh Bên cạnh đó sẽ phát triển thêm một số chức năng cần thiết như kết hợp như cảm biến độ ẩm, cảm biến nước mưa để để nhà được hoàn thiện hơn.