Đang tải... (xem toàn văn)
Cảm biến đã trở nên phổ biến trong các hệ thống đo lường và điều khiển, nơi mà việc thu thập thông tin và theo dõi các biến trạng thái là rất quan trọng.Hiện nay, một trong những lĩnh vự
Trang 1KHOA KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦNLẬP TRÌNH HỆ THỐNG NHÚNG
TÊN ĐỀ TÀI
CỬA TỰ ĐỘNG KẾT HỢP CẢM BIẾN KHÍ GAS, NHIỆT ĐỘHọ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Thuyết
Nguyễn Huy Hậu
Trang 2Mô tả phần mềm nạp chương trình cho Arduino UNO R3 Arduino IDE 16
CHƯƠNG II KẾ HOẠCH THỰC HIỆN, PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 18
3.2.1 Sơ đồ kết nối cửa tự động 20
3.2.2 Sơ đồ kết nối cảm biến khí gas 21
3.3 Hệ thống hoàn chỉnh với các thiết bị vật lý 24
3.4 Tiến hành nạp Code cho Arduino UNO R3 bằng phần mềm Arduino IDE 25
3.4.1 Mã lập trình cho Arduino UNO R3 trong Arduino IDE 25
Trang 3TƯ LIỆU THAM KHẢO 30
Trang 4DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1 Modul cảm biến khí gas MQ2 3
Hình 1 2 LCD I2C 16x2 4
Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý của Arduino UNO R3 5
Hình 1 4 Hình ảnh thực tế của Arduino UNO R3 6
Hình 1 5 Hình ảnh sơ đồ chân kết nối Arduino UNO R3 7
Hình 1 6 Giao diện Phần mềm Arduino IDE 11
Hình 1 7 Giao diện chương trình viết Arduino 12
Hình 1 8 Vùng lệnh chương trình 13
Hình 1 9 Vùng thông báo 13
Hình 2 3 Sơ đồ kết nối Arduino UNO R3, DHT11 với LCD I2C 16x2 17
Hình 2 4 Hình ảnh thực tế 18
Hình 2 5 Code trong Arduino IDE 18
Hình 2 6 Code trong Arduino IDE 19
Hình 2 7 Khoảng cách, khí gas được hiển thị lên Serial Monitor 19
Hình 2 9 Code trong Arduino IDE 20
Hình 2 10 Code trong Arduino IDE 21
Hình 3 11 Code trong Arduino IDE 21
Hình 3 12 Code trong Arduino IDE 22
Hình 3 13 Khoảng cách, khí gas được hiển thị lên Serial Monitor 22
Trang 5LỜI MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Trong thời kỳ phát triển của thế kỷ XX, công nghệ bán dẫn đã đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự tiến bộ của các kỹ thuật cảm biến Nhờ sự phát triển này, thiết bị điện tử đã được tích hợp với mật độ cao vào các diện tích nhỏ, mang lại những thiết bị nhỏ gọn và đa chức năng hơn Cảm biến đã trở nên phổ biến trong các hệ thống đo lường và điều khiển, nơi mà việc thu thập thông tin và theo dõi các biến trạng thái là rất quan trọng.
Hiện nay, một trong những lĩnh vực ứng dụng rộng rãi cảm biến là trong hệ thống cảm biến khí gas và mở cửa tự động Trong các hệ thống này, việc đo lường chất lượng không khí và tự động điều khiển cửa dựa trên dữ liệu cảm biến trở nên rất quan trọng Cảm biến khí gas được sử dụng để phát hiện mức độ rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn cho con người Ngoài ra, hệ thống cũng sử dụng cảm biến khác để ghi nhận trạng thái mở hoặc đóng của cửa và tự động điều khiển hoạt động của nó.
Với sự phát triển của công nghệ số và truyền dữ liệu không dây, các thiết bị trong hệ thống này có thể kết nối và giao tiếp với nhau một cách thông minh Điều này cho phép kiểm soát từ xa và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống thông qua kết nối internet Bằng cách sử dụng các thành phần như Arduino Uno, cảm biến khí gas, cảm biến cửa và các thiết bị kết nối không dây, hệ thống của bạn có khả năng đo lường chất lượng không khí, tự động mở và đóng cửa, và cung cấp thông tin trực tiếp
Với hệ thống cảm biến khí gas và mở cửa tự động này, bạn có thể giám sát chất lượng không khí và đảm bảo an toàn trong môi trường xung quanh, đồng thời tận dụng tiện ích của việc tự động mở và đóng cửa.
Trang 6Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu với đề tài:
- Thời gian thực hiện: 1 tháng (từ tháng 10 năm 2023 đến tháng 11 năm 2023) Nhóm sinh viên gồm
1 Nguyễn Văn Thuyết DH11C10
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Suyên
Đề tài: Hệ thống cảm biến khí gas và mở cửa tự độngMục tiêu nghiên cứu:
- Tiếp nhận tín hiện từ các cảm biến - Có chức năng hiển thị lên màn hình LCD - Có chức năng thông báo còi
- Có chức năng đẩy khí gas ra bên ngoài
Trang 7CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu về hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng (Embedded System) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao.
Đặc điểm của hệ thống nhúng: Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng chứ không phải đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng Một số hệ thống đòi hỏi ràng buộc về tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an toàn và tính ứng dụng; một số hệ thống không đòi hỏi hoặc ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất.
1.2 Giới thiệu về linh kiện sử dụng trong đề tài
1.2.1 Cảm biến SRF04
Cảm biến siêu âm SRF04 là một loại cảm biến siêu âm được sử dụng để đo khoảng cách từ cảm biến đến một vật thể SRF04 là một phiên bản cải tiến của cảm biến siêu âm SRF02 và là một trong những mô-đun phổ biến trong cộng đồng thí nghiệm điện tử và robot học SRF04 là một cảm biến siêu âm tương đối Dùng để cảm biến vật cản trong phạm vi cho phép.
Hình 1 1 Cảm biến SRF04
Trang 8Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 5V
+ Độ đo khoảng cách: 3 cm đến 400 cm (dựa trên thông số kỹ thuật thông thường của SRF04).
+ Dải nhiệt độ hoạt động: : 0°C - 50°C, sai số ± 2°C + Khoảng cách truyền tối đa: 20m
+ Chuẩn giao tiếp: TTL, 1-wire + Kích thước: 28x12x10mm
+ Dòng tối đa: 2.5mA + Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz
+ Ứng dụng của cảm biến SFR04: Ứng dụng chính của cảm biến SRF04 là đo khoảng cách từ cảm biến đến vật thể
1.2.2 LCD I2C 16x2
Màn hình LCD I2C16x2 là một loại màn hình hiển thị thông số LCD kích thước 16 cột x 2 hàng Điểm đặc biệt của màn hình LCD I2C 16x2 là nó được tích hợp bộ chuyển đổi I2C (I2C backpack) trên mặt sau của module, giúp giảm số lượng chân kết nối cần thiết và dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển thông qua giao thức I2C Màn hình LCD I2C 16x2 thường đi kèm với đèn nền LED tích hợp Điều này giúp hiển thị dữ liệu rõ ràng và dễ đọc trong các điều kiện ánh sáng yếu Với các thư viện hỗ trợ sẵn cho Arduino và các nền tảng phát triển khác, màn hình LCD I2C 16x2 dễ dàng được sử dụng và lập trình Các thư viện này cung cấp các hàm và phương thức để hiển thị văn bản, số liệu và các biểu đồ đơn giản trên màn hình
Trang 9Hình 1 2 LCD I2C 16x2
-Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC12.
+ Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) + Giao tiếp: I2C.
+ Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2) + Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
+ Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
+ Màn hình LCD 16x2 I2C thường được sử dụng trong các hệ thống cần hiển thị trạng thái hoặc các thông số
1.2.3 Servo SG90
Servo SG90 thường có thiết kế nhỏ gọn với kích thước tiêu chuẩn Bên trong có bao gồm một motor DC, bộ giảm tốc, mạch điều khiển và một cảm biến phản hồi để theo dõi vị trí của trục servo.
Servo SG90 thường sử dụng chuẩn giao tiếp PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển vị trí của trục servo.
Một xung PWM có độ rộng khác nhau sẽ diễn đạt một vị trí cụ thể cho servo.
Robot Học: Servo SG90 thường được sử dụng trong các dự án robot học như cánh tay robot, đầu robot, hoặc các phần khác có đòi hỏi về góc quay và độ chính xác.
Trang 10Mô Hình và Đồ Chơi Điều Khiển: Servo SG90 được tích hợp trong các mô hình và đồ chơi điều khiển từ xa.
Mô Hình Mô Phỏng: Sử dụng để mô phỏng các cử động trong các dự án mô hình hóa.
Servo SG90 cũng được thiết kế với độ chính xác cao và độ bền tốt Với hệ thống bánh răng chất lượng và vật liệu cơ khí chính xác, nó cung cấp chuyển động mượt mà và ổn định trong quá trình hoạt động.
+ Mô-men xoắn quầy hàng: 1.3KG.CM-1.8KG.CM + Tốc độ không tải: 0,09SEC / 60°
+ Dòng không tải: 90mA + Trục đầu ra: 20T
+ Loại bánh răng: Bánh răng Nylon sợi
1.2.4 Cảm biến khí gas MQ2
Cảm biến khí gas MQ-2 là một loại cảm biến khí dễ sử dụng và phổ biến trong các ứng dụng liên quan đến giám sát chất lượng không khí và phát
Trang 11hiện khí gas Nó được sử dụng rộng rãi trong hệ thống bảo mật cháy nổ, hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí, và các ứng dụng nhà thông minh Cảm biến MQ-2 có khả năng phát hiện nhiều loại khí, bao gồm khí gas dễ cháy như khí propan, butan, methane và khí tự nhiên, cũng như khí có độc như khí carbon monoxide (CO) và khí LPG Nó hoạt động dựa trên nguyên lý đo sự thay đổi của trở kháng điện tử của hợp chất hóa học bên trong cảm biến khi tiếp xúc với khí gas.
Cảm biến MQ-2 có hai chân kết nối đến nguồn điện và chân đất, và một chân kết nối đến vi điều khiển hoặc mạch đọc tín hiệu Khi khí gas được phát hiện, trở kháng của cảm biến thay đổi, và điện áp đầu ra tương ứng cũng thay đổi Việc đọc giá trị điện áp đầu ra có thể cho biết mức độ có mặt của khí gas trong môi trường.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cảm biến MQ-2 không cung cấp thông tin chính xác về nồng độ khí gas hoặc loại khí cụ thể Để đạt được kết quả chính xác hơn, thường cần calibrate cảm biến và sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thích hợp.
Thông số kỹ thuật
Sử dụng thiết kế bảng điều khiển kép chất lượng cao, với đèn báo nguồn và hướng dẫn đầu ra tín hiệu TTL.
+ Đầu ra tín hiệu số D0 (Digital: 0 và 1) và đầu ra tín hiệu tương tự A0
Trang 12+ Tín hiệu hợp lệ đầu ra TTL là thấp.(Tín hiệu mức thấp khi đèn đầu ra có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển hoặc mô đun rơle)
+ Điện áp đầu ra tương tự có nồng độ cao hơn của điện áp cao hơn + Điện áp hoạt động: 5 VDC.
+ Dòng tiêu thụ: 150mA + Kích thước PCB: 3x1,6cm.
+ Sử dụng IC so sánh LM393, có LED báo tráng thái và tích hợp biến trở tăng giảm độ nhạy của Module.
1.2.5 CÒI BUZZER
Còi buzzer là một loại thiết bị phát âm thanh được thiết kế để phát ra âm thanh khi có dòng điện chạy qua nó
Hình 1 5 Còi Buzzer
-Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 3.3V DC + Kích thước: 32x13mm + Chuẩn giao tiếp: analog
+ Chân giao tiếp ngoại vi: GNP, I/O, VCC + Tần số âm thanh : 2300Hz ± 500Hz + Âm thanh đầu ra là >80 dB + Dòng tối đa: 30mA
Trang 13+ Ứng dụng của còi buzzer: Còi buzzer được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng báo động, cảnh báo và cung cấp âm thanh cường độ cao Chúng có thể được sử dụng trong hệ thống báo động cháy, báo động đột nhập, hệ thống báo động xe hơi, hệ thống dẫn đường, thiết bị y tế, vv để cung cấp âm thanh thông báo và cảnh báo cho người dùng.
1.2.6 Relay 5v 1 kênh
Relay là một linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển và chuyển đổi điện Nó hoạt động như một công tắc điện tử có khả năng cách ly tín hiệu và điện áp, cho phép điều khiển các thiết bị hoạt động với công suất lớn thông qua một tín hiệu điều khiển nhỏ hơn.
Cấu trúc cơ bản của một relay bao gồm cuộn dây và các bộ tiếp điểm Cuộn dây là thành phần chính được điều khiển bởi tín hiệu điều khiển Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một trường từ trường từ này sẽ thu hút các bộ tiếp điểm và làm chúng chuyển trạng thái Bộ tiếp điểm có thể bao gồm các tiếp điểm NO (Normally Open - Mở thông thường) và NC (Normally Closed - Đóng thông thường), tùy thuộc vào loại relay.
Các tiếp điểm của relay có khả năng chịu được công suất cao hơn so với tín hiệu điều khiển Khi relay được kích hoạt, các tiếp điểm NO sẽ mở ra và các tiếp điểm NC sẽ đóng lại Điều này cho phép dòng điện lớn được chuyển hướng hoặc ngắt tùy thuộc vào trạng thái của relay.
Relay có nhiều ứng dụng trong các hệ thống điều khiển và chuyển đổi, bao gồm:
Điều khiển thiết bị điện: Relay được sử dụng để điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, máy bơm và máy nén.
Tự động hóa: Relay được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa để điều khiển các quy trình và thiết bị.
Điều khiển nhiệt độ: Relay có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị như máy điều hòa không khí và hệ thống sưởi.
Trang 14Hệ thống bảo vệ: Relay được sử dụng trong các hệ thống bảo vệ và an ninh để kích hoạt cảnh báo, báo động và cắt nguồn.
Relay có nhiều loại và kích thước khác nhau để phù hợp với các yêu cầu và ứng dụng cụ thể Việc lựa chọn relay phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu công suất, điện áp và loại tín hiệu điều khiển của hệ thống.
Trang 15Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý của Arduino UNO R3
Arduino Uno R3 là một trong những phiên bản phổ biến nhất của dòng board Arduino Được phát triển bởi Arduino.cc, Arduino Uno R3 là phiên bản cải tiến của Arduino Uno và là một trong những board phổ biến và dễ sử dụng nhất trong cộng đồng Arduino Arduino Uno R3 sử dụng vi điều khiển ATmega328P của Microchip Technology và có khả năng kết nối với các linh kiện và cảm biến thông qua các chân GPIO (General Purpose Input/Output) Nó cung cấp một môi trường lập trình dựa trên ngôn ngữ C/C++ và IDE (Integrated Development Environment) đơn giản để viết và tải các chương trình điều khiển vào board.
Trang 16Hình 1 4 Hình ảnh thực tế của Arduino UNO R3
- Module Arduino UNO R3 có các chân dùng để cấp nguồn và thực hiện kết nối Chức năng của các chân như sau:
+ Vin: Chân này được sử dụng để cấp nguồn cho board Arduino từ nguồn ngoài, có thể là nguồn DC hoặc pin ngoài.
+ 5V: Chân cung cấp nguồn 5V cho các linh kiện ngoại vi + GND: Chân nối đất.
+ 3.3V: Chân cung cấp nguồn 3.3V cho các linh kiện ngoại vi.
+ A0-A5: Các chân analog input, được sử dụng để đọc giá trị analog từ các cảm biến.
+ 0-13: Các chân digital input/output, trong đó chân 0 (RX) và chân 1 (TX) được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp (Serial Communication) Các chân còn lại có thể được sử dụng để kết nối và tương tác với các linh kiện và cảm biến khác nhau.
+ RESET: Chân reset, khi được kéo xuống mức thấp, sẽ reset board Arduino + PWM: Các chân digital 3, 5, 6, 9, 10 và 11 hỗ trợ chế độ PWM (Pulse Width Modulation), cho phép điều chỉnh độ rộng xung và điều khiển độ sáng, tốc độ quay của động cơ, đèn LED, và nhiều ứng dụng khác.
+ SPI: Các chân digital 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) hỗ trợ giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) với các linh kiện ngoại vi như màn hình LCD, bộ nhớ flash, cảm biến.
Trang 17+ I2C: Các chân digital 4 (SDA) và 5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit) với các linh kiện ngoại vi như cảm biến, module.
Hình 1 5 Hình ảnh sơ đồ chân kết nối Arduino UNO R3
+ Chân kết nối: Arduino Uno R3 có các chân kết nối gồm 14 chân số (GPIO) và 6 chân analog Các chân GPIO có thể được sử dụng để kết nối và tương tác với các linh kiện và cảm biến khác nhau.
+ Giao tiếp nối tiếp: Arduino Uno R3 hỗ trợ giao tiếp nối tiếp (Serial Communication) thông qua cổng USB và các chân RX/TX.
+ Nguồn cấp: Board có thể được cấp nguồn từ cổng USB hoặc thông qua pin ngoài với dải điện áp từ 6V đến 20V.
+ Chức năng đa dạng: Arduino Uno R3 hỗ trợ chế độ PWM (Pulse Width Modulation) trên các chân GPIO, cho phép điều chỉnh độ rộng xung và điều
Trang 18độ sáng, tốc độ quay của động cơ, đèn LED, và nhiều ứng dụng khác Ngoài ra, board cũng hỗ trợ giao tiếp I2C và SPI với các linh kiện ngoại vi.
+ Arduino Uno R3 tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino IDE, và có sẵn một loạt các thư viện mã nguồn mở, giúp đơn giản hóa việc lập trình và xây dựng các ứng dụng Với những đặc điểm này, Arduino Uno R3 là một công cụ lý tưởng cho việc học tập, thử nghiệm và phát triển các dự án điện tử.
1.2.8 Quạt 5V
Quạt 5V là một thiết bị sử dụng nguồn điện có điện áp là 5V để tạo ra luồng không khí và làm mát môi trường xung quanh Điều này thường được áp dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm điện tử, máy tính, thiết bị di động, và các dự án DIY.
Thông số kỹ thuật + Điện áp hoạt động: 5V + Dòng kích Relay: 5mA
+ Kích thước: Có nhiều kích thước khác nhau, từ nhỏ đến lớn, để phù hợp với nhu cầu cụ thể của dự án hoặc thiết bị.
+ Trọng lượng: 15g
1.3 Giới thiệu về môi trường lập trình
Phần mềm Arduino IDE
IDE Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java, và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp Nó bao gồm một trình soạn thảo mã với các tính năng như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngoặc khối chương trình, thụt đầu dòng tự động và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương trình vào board mạch với