đồ án 1 thiết kế hệ thống đèn tự động

Trong bộ cảm biến hồng ngoại có hai bộ phận đặt ngang dùng ghi nhận sự biến đổi của các tia sáng hồng ngoại, khi bị kích thích bởi tia hồng ngoại, nó so phát ra tín hiệu điện, tín hiệu n

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃKhoa Điện tử Viễn thông

ĐỒ ÁN 1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÈN TỰĐỘNG

Sinh viên thực hiện: Hoàng Minh Tuấn DT0402 Trần Văn Dũng

Vũ Thị Nhung DT040238

Trần Thị Hương Quỳnh DT0402

Hà Nội, tháng 6/2023

5 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: 2

6 Những đóng góp của báo cáo: 2

7 Cấu trúc báo cáo: 2

1.3.1 Các loại cảm biến IR 6

1.4 Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại 6

2.3.4 Các loại Relay trên thị trường 13

2.3.5 Cách xác định trạng thái của một Relay 13

2.3.6 Các thông số thường thấy của một bộ Module Relay 14

2.3.6.1 Hiệu điện thế kích tối ưu: 14

2.3.6.2 Hiệu điện thế và cường độ dòng điện tối đa: 14

2.4.2.2 Hỗ trợ giao tiếp không dây 18

2.4.2.3 Cảm biến tích hợp trên chip ESP32 19

2.4.2.4 Bảo mật 19

2.4.2.5 Nguồn điện hoạt động 19

2.4.3 Sơ đồ chân của ESP32 20

2.5 Phần mềm 25

2.5.1 Arduino IDE 25

2.5.2 Blynk IoT Platform 27

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI 28

Hình 2 1 Relay 10

Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc Relay liên kết hai mạch với nhau 11

Hình 2 3 Module Relay ở mức thấp và mức cao 13

Hình 2 4 Các thông số in trên Relay 14

PHẦN A: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu của con người ngày càng cao Việc nghiên cứu khoa học ngày càng đươc đầu tư nhiều để đáp ứng nhu cầu của con người Một trong những vấn đề đang được nghiên cứu nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người và tiết kiệm chi phí trong thời buổi tài nguyên ngày càng khan hiếm hiện nay là việc điều khiển đèn trong sinh hoạt, cũng như lao động của con người.

Việc giám sát và điều khiển ánh sáng trong nhà, công ty,nhà máy xí nghiệp… đang là vấn đề vô cùng quan trọng đối vớixã hội hiện nay Bởi vì, việc điều khiển đèn thủ công bằng công tắc không còn thuận tiện và tiết kiệm nữa, do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan Khách quan có thể do trời tối khó khăn cho việc bật công tắc, đi lại khó khăn… chủ quan có thể do quên hay tâm lý con người là đèn của công ty, trường học nên họ không quan tâm…điều này gây lãng phí điện rất lớn, đặc biệt trong hoàn cảnh nước ta đang thiếu điện trầm trọng như hiện nay.

2 Mục đích:

Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển đèn bằng cảm biến hồng ngoại dựa trên nhu cầu tiết kiệm điện, thuận tiện, hạn chế điều khiển thủ công.

3 Phạm vi và đối tượng của đề tài:

- Các tài liệu về thi công, lắp ráp mạch.

5 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Nghiên cứu các tài liệu về thiết bị và linh kiện Điện – Điện Tử Nghiên cứu lý luận của việc thiết kế và sử dụng thiết bị công nghiệp.

6 Những đóng góp của báo cáo:

Đề tài báo cáo này không những góp phần củng cố kiến thức về vi điều khiển cho sinh viên mà còn phát huy khả năng sáng tạo trong thực tế lắp ráp mạch.

7 Cấu trúc báo cáo:

Chương I: Giới thiệu về hồng ngoại và cảm biến hồng ngoạiChương II: Cấu trúc phần cứng của mạch cảm biến hồng ngoại

Chương III: Phần mềm điều khiển

PHẦN B: NỘI DUNG

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỒNGNGOẠI VÀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI1.1 Hồng ngoại là gì?

Hồng ngoại là sự bức xạ năng lượng với tần số thấp hơn tần số mà mắt nhìn thấy, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy được Bước sóng hồng ngoại vào khoảng 0,8µm - 0,9µm và có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng Hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong đo nhiệt độ, phát nhiệt và đăc biệt là trong lĩnh vực truyền thông.

Công nghệ hồng ngoại được tìm thấy trong nhiều sản phẩm trong công nghiệp và đời sống Ví dụ, truyền hình có một máy dò hồng ngoại để phân tích các tín hiệu từ điều khiển từ xa, Dùng trong an ninh, giám sát vật chuyển động Những lợi ích chính của cảm biến hồng ngoại bao gồm các yêu cầu điện năng thấp, mạch đơn giản, và tính năng di động.

Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0K đều phát ra tia hồng ngoại.Trong kĩ thuật, nguồn phát sóng hồng ngoại rất nhiều như: Led hồng ngoại, lazer bán dẫn… Tuy nhiên, hiện nay led hồng ngoại đang được sử dụng rộng rãi nhất vì nó có hiệu suất lượng tử cao Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị thu sóng hồng ngoại như: Photo diode, cds,

1.2 Cảm biến hồng ngoại

Trong bộ cảm biến hồng ngoại có hai bộ phận đặt ngang dùng ghi nhận sự biến đổi của các tia sáng hồng ngoại, khi bị kích thích bởi tia hồng ngoại, nó so phát ra tín hiệu điện, tín hiệu này qua một transistor FET và được khuếch đại cho xuất ra tín hiệu trên chân Out Do trong bộ cảm biến hồng ngoại có dùng linh kiện khuếch đại FET nên trong hoạt động, nó phải được cấp nguồn nuôi Một chân cho nối masse, một chân cho nối vào đường nguồn DC và một chân cho ra tín hiệu

Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại như sau: Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn 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 so cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này so được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tácđộng vào một thiết bị điều khiển hay báo động.

1.3 Cảm biến IR là gì?

Cảm biến IR (cảm biến hồngngoại) là một thiết bị điện tử, phátra ánh sáng để cảm nhận một sốđối tượng của môi trường xungquanh Cảm biến IR có thể đonhiệt của một vật thể cũng như

phát hiện chuyển động Thông thường, trong quang phổ hồng ngoại, tất cả các vật thể đều bức xạ một số dạng bức xạ nhiệt Những loại bức xạ này mắt chúng ta không nhìn thấy được, nhưng cảm biến hồng ngoại có thể phát hiện ra.

Hình 1 1 Cảm biến IR

Bộ phát chỉ đơn giản là một đèn LED hồng ngoại (Light Emitting Diode) và bộ phát hiện chỉ đơn giản là một điốt quangIR Điốt quang nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại có cùng bước sóng được phát ra bởi đèn LED hồng ngoại Khi ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điốt quang, điện trở và điện áp đầu ra so thay đổi tương ứng với độ lớn của ánh sáng hồng ngoại nhận được.

Có năm yếu tố cơ bản được sử dụng trong một hệ thống phát hiện hồng ngoại điển hình: nguồn hồng ngoại, phương tiện truyền dẫn, thành phần quang học, đầu dò hoặc máy thu hồng ngoại và xử lý tín hiệu Laser hồng ngoại và đèn LED hồng ngoại có bước sóng cụ thể được sử dụng làm nguồn hồng ngoại.

Ba loại phương tiện chính được sử dụng để truyền tia hồngngoại là chân không, khí quyển và sợi quang học Các thành

phần quang học được sử dụng để tập trung bức xạ hồng ngoại hoặc hạn chế phản ứng quang phổ.

Giống như các loại cảm biến khác, cảm biến hồng ngoại cũng có ưu nhược điểm nhất định Do đó khi sử dụng, các bạn nên tìm hiểu kỹ các ưu điểm và nhược điểm của nó.

Ưu điểm:

Sử dụng ít năng lượng hơn

Có thể phát hiện chuyển động trong điều kiện có hoặc không có ánh sáng với độ tin cậy tương đương.

Không cần tiếp xúc với đối tượng

Các cảm biến không bị ảnh hưởng bởi quá trình oxy hóa vàăn mòn

Khả năng chống ồn rất mạnhNhược điểm:

Bắt buộc tầm nhìn thẳng (LOS)Phạm vi có giới hạn

Chúng có thể bị ảnh hưởng bởi sương mù, mưa, bụi, v.v.Tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn

thường được sử dụng cho hệ thống phát hiện chướng ngại vật như robot.

→ Cảm biến hồng ngoại thụ động

Đây là thiết bị không thể phát ra được bức xạ hồng ngoại mà chỉ có thể phát ra được bức xạ từ các vật thể khác như người, động vật hay nguồn nhiệt Cảm biến thụ động so phát hiện ra vật thể phát xạ hồng ngoại và chuyển tín hiệu thành báo động Vậy nên so gọi là thụ động chỉ có thể phát hiện chứ so không phát ra tia hồng ngoại.

1.4 Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại

Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại như sau:Đèn led hồng ngoại: Đây là thiết bị được phát ra từ nguồn sáng hồng ngoại

Máy dò hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu và phát

hiện ra bức xạ hồng ngoại phản xạ trở lại

Điện trở: Là thiết bị có tác dụng đi cường độ dòng điện quá lớn chạy quá đèn led làm cho hệ thống chập cháy

Dây điện: Tác dụng chính là kết nối các chi tiết để tạo nêncảm biến hoạt động ổn định

Trường hợp khi có vật cản phía trước thì những chùm tia hồng ngoại đập vào vật cản và phản xạ lại led thu làm cho nó thay đổi giá trị nội trở và dẫn đến thay đổi mức điện áp ở phái đầu vào của op amp Khi khoảng cách càng gần thì sự thay đổi so càng lớn Và khi đó điện áp đầu vào không đảo được đánh giá với giá trị điện áp so không đổi ghim trên biến trở R3.

Nếu như giá trị điện áp đầu vào không đảo lớn hơn đầu vào đảo, op amp xuất ra mức 1, nếu như áp đầu vào không đảo nhỏ hơn đầu vào đảo, op amp so xuất ra mức 0 Khi đấy điện trở R1, R2, R4 so được sử dụng để đảm bảo dòng điện tối thiểu mA đi qua các thiết bị LED IR như Photodiode, đèn Led thông thường Biến trở R3 so dùng để điều chỉnh độ nhạy của mạch.

Hình 1.1 Sơ đồ mạch IR SensorHình 1 2 Sơ đồ mạch IR Sensor

1.4.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị

Về nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại thì không quá là phức tạp được hiểu đơn giản như sau: Vật thể nàocũng có thể phát ra được bức xạ hồng ngoại chỉ là nhiều hay ít.

Equation 1

Hình 1 2 Nguyên lý hoạt động

Vậy nên khi một người hoặc là vật thể lạ đi ngang qua thiết bị cảm biến thì so xuất hiện nay 1 tín hiệu Và tín hiệu nàyso được cảm biến thu vào và để cho mạch xử lý tạo tác dụng để điều khiển hoặc so báo động khi cần thiết.

1.4.3 Ứng dụng - Bật tắt đèn tự động

- Cảm biến hồng ngoại giúp chống trộm- Giúp mở cửa tự động

- Giúp truyền lệnh điều khiển

- Cảm biến hồng ngoại giúp sáng tạo thiết bị nhìn đêm- Ứng dụng trong thiên văn

- Ứng dụng trong nghệ thuật chế tác và phục hồi trong ảnh

Ngoài ra, cảm biến còn có một số ứng dụng trong các lĩnh vực khác như:

- Khí hậu học- Điều chế quang học- Khí tượng học- Máy dò khí- Phân tích nước- Thử nghiệm gây mê- Phân tích độ ẩm- Thăm dò dầu khí- Phân tích khí- An toàn đường sắt

CHƯƠNG II: CÁC LINH KIỆN PHẦNCỨNG VÀ PHẦN MỀM

2.1 Các linh kiện sử dụng:

- Cảm biến IR

- Relay 5V- Bóng đèn

2.2 Relay

2.2.1 Relay là gì?

Relay hay còn được gọi là rơ – le là tên gọi theo tiếng Pháp.Nó là một công tắc (khóa K) điện từ và được vận hành bởi một dòng điện tương đối nhỏ có thể bật hoặc tắt một dòng điện lớn hơn rất nhiều Bản chất của relay là một nam châm điện và hệ thống các tiếp điểm đóng cắt có thiết kế module hóa giúp dễ dàng lắp đặt.

Hình 2 1 Relay

Điện áp và dòng điện được relay chuyển mạch so khác nhiều so với tín hiệu được sử dụng để kích hoạt hoặc cấp điện cho relay Nói tóm lại relay là một thiết bị thông dụng, gọn nhẹ,giá thành cũng hợp với túi tiền Hiện nay chúng được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày của chúng ta.

2.3.2 Cấu tạo của Relay

Về cấu tạo của relay bao gồm một cuộn dây kim loại làm bằng đồng hoặc nhôm được quấn quanh một lõi sắt từ Bộ phận này có phần tĩnh gọi là ách từ (Yoke) Còn phần động được gọi là phần cứng (Armature) Phần cứng của relay so đượckết nối với một tiếp điểm động Cuộn dây có tác dụng hút thanh tiếp điểm lại để từ đó tạo thành trạng thái NO và NC Nhiệm vụ của mạch tiếp điểm (mạch lực) là đóng cắt các thiết bị tải với dòng điện nhỏ và được cách ly bởi một cuộn hút

Bên dưới là một hình ảnh cho thấy cách một relay liên kết hai mạch với nhau Ở bên trái, có mạch đầu vào được cung cấpbởi một công tắc hoặc loại cảm biến nào đó Khi mạch này được kích hoạt thì nó cung cấp dòng điện cho một nam châm điện, sau đó so kéo công tắc kim loại đóng lại Từ đó kích hoạt mạch đầu ra thứ hai (ở phía bên phải).

Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc Relay liên kết hai mạch vớinhau

Thứ nhất: Mạch đầu vào là vòng màu xanh so bị tắt và không có dòng điện chạy qua Nhưng khi một cái gì đó (có thể là cảm biến hoặc đóng công tắc) bật nó thù nó so bật trở lại Mạch đầu ra là vòng lặp màu đỏ cũng bị tắt.

Thứ hai: Khi một dòng điện nhỏ được chạy trong mạch đầu vào Nó so bắt đầu kích hoạt nam châm điện Và từ đó tạo ra một từ trường xung quanh nó.

Thứ ba: Nam châm điện kéo thanh kim loại trong mạch đầu ra về phía nó Đóng công tắc và cho phép các dòng điện lớn hơn nhiều chạy qua mạch đầu ra.

Thứ tư: Mạch đầu ra vận hành như một thiết bị có dòng điện cao.

2.3.3 Thông số kỹ thuật

- Điện áp hoạt động: 5V- Dòng kích Relay: 5mA

Đầu ra:

- Tiếp điểm Relay 220V 10A- NC: thường đóng

- NO: thường mở

- COM: chân chung

2.3.4 Các loại Relay trên thị trường

Hiện nay so có hai dạng relay chính là:

Module rơ-le đóng ở một mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu thì rơ-le so đóng).

Module rơ-le đóng ở một mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu thì rơ-le so đóng).

Hình 2 3 Module Relay ở mức thấp và mức cao2.3.5 Cách xác định trạng thái của một Relay

Có rất nhiều cách để xác định trạng thái của một relay Dưới đây là 3 cách phổ biến nhất:

Cách 1: Hỏi người bán, người cung cấp relay Đây là cách phổ biến và nhanh nhất nếu chúng ta không có nhiều thời gian.

Cách 2: Bạn có thể kiểm tra bằng cách cấp nguồn vào cácchân điều khiển của module relay.

Cách 3: Tra google Bạn hoàn toàn có thể thử tìm kiếm trên google model relay của bạn đang dùng xem nó thuộc loại gì Nếu nó thuộc dạng NPN là có nghĩa module ở mức cao Còn nếu thuộc dạng PNP thì rơ – le đó thuộc mức thấp.

2.3.6 Các thông số thường thấy của một bộModule Relay

2.3.6.1 Hiệu điện thế kích tối ưu:

Thông số này là vô cùng quan trọng vì nó so quyết định việc relay của các bạn có sử dụng được hay không Ví dụ, bạn cần một module relay làm nhiệm vụ bật tắt một bóng đèn có điện áp 220V khi trời tối từ một cảm biến ánh sáng hoạt động ởmức từ 5 -12V Lúc này thì bạn bảo người bán hàng, người cungcấp bán loại module relay 5V (5 volt) hoặc có thể là module relay 12V (12 volt) kích ở mức cao Có như thế thì relay mới hoạt động tốt được nhé.

2.3.6.2 Hiệu điện thế và cường độ dòng điện tối đa:

Đây là thông số thể hiện mức dòng điện cũng như hiệu điện thế tối đa của các thiết bị mà các bạn muốn đóng hoặc ngắt có thể đấu dây với relay Và thường những thông số này so được in lên trên thiết bị để chúng ta dễ dàng quan sát.

Hình 2 4 Các thông số in trên Relay

10A – 250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của relay là 10A với hiệu điện thế 250VAC.

10A – 30VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của relay là 10A với hiệu điện thế 30VDC.

10A – 125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của relay là 10A với hiệu điện thế 125VAC.

10A – 28VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của relay là 10A với hiệu điện thế 28VDC.

SRD – 05VDC – SL – C: Hiệu điện thế kích tối ưu là 5V

2.3.7 Cách sử dụng Relay

Thông thường một relay so có 6 chân bao gồm 3 chân kíchvà 3 chân kết nối với thiết bị điện áp cao Cách đấu dây như sau:

Tương tự đối với module rơ-le kích ở mức thấp.

OFF hoặc NC: Loại chân này bạn so nối chân lạnh nếu

như dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu bạn dùng điện một chiều.

2.3.8 Ứng dụng Module Relay trong thực tế

Hình 2 5 Module Relay

Hiện nay module relay được ứng dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng tự động hóa Chúng thường được sử dụng kèm với những loại cảm biến báo mức như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, mực nước… Relay thường so được tích hợp ở trongcác ngõ ra của các loại màn hình hiển thị, các công tắc báo mức hay thiết bị chuyển đổi tín hiệu Sử dụng các tín có hiệu điện áp nhỏ từ các cảm biến để từ đó kích hoạt các thiết bị có điện áp cao hơn.

2.4 ESP32

2.4.1 Giới thiệu về ESP32

- ESP32 là một serius các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có tích hợp Wifi và dual-mode

Bluetooth (Bluetooth ở chế độ kép) Dòng ESP32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 có hai biến thể lõi kép và lõi đơn, bao gồm các công tắc chuyển tiếp antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng.

- ESP32 được chế tạo và phát triển bởi Espressif Systems, một công ty Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải, và được sản xuất bởi TSMC bằng cách sử dụng công nghệ 40nm ESP32 là một sản phẩm kế thừa từ vi điều khiển ESP8266