Báo cáo Đồ án môn học lập trình nhúng hệ thống Đo ánh sáng và nhiệt Độ dựa theo arduino

Do đó, xây dựng một hệ thống đo đơn giản, chi phí thấp nhưng đủ chính xác và tin cậy là cần thiết.Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở rất phổ biến, cho phép người dùng dễ dàng

GIỚI THIỆU

Giới thiệu đề tài

Ánh sáng và nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải và y tế Việc đo lường chính xác hai yếu tố này là cần thiết để đảm bảo hiệu quả trong sản xuất và đời sống Do đó, việc phát triển một hệ thống đo lường đơn giản, chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và tin cậy là rất quan trọng.

Arduino là nền tảng phần cứng mã nguồn mở phổ biến, giúp người dùng phát triển ứng dụng điện tử thông qua kết nối với các module và cảm biến Bằng cách sử dụng Arduino cùng với các cảm biến ánh sáng và nhiệt độ, việc xây dựng hệ thống đo lường đơn giản và hiệu quả là hoàn toàn khả thi Đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo ánh sáng, nhiệt độ dựa trên Arduino sẽ thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến, hiển thị kết quả trên màn hình LCD Sản phẩm này hướng tới ứng dụng thực tiễn, đáp ứng nhu cầu đo đạc đơn giản với chi phí thấp cho người dùng.

Nội dung đề tài

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ.

Tìm hiểu bo mạch Arduino và ngôn ngữ lập trình Arduino.

Thiết kế và chế tạo mạch điện tử đo ánh sáng, nhiệt độ dựa trên Arduino và các cảm biến phù hợp.

Viết chương trình điều khiển Arduino đọc dữ liệu từ các cảm biến, xử lý và hiển thị kết quả lên màn hình LCD.

Thiết kế và chế tạo mô hình mẫu hệ thống đo.

Kiểm tra, hiệu chỉnh và đánh giá độ chính xác của hệ thống đo.

Giới hạn đề tài

Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng module Arduino Uno cùng với cảm biến ánh sáng và cảm biến nhiệt độ để thiết kế và chế tạo mạch điện tử Mục tiêu là đo và hiển thị thông tin về ánh sáng và nhiệt độ lên màn hình máy tính, sử dụng ít linh kiện để tối ưu hóa quy trình Dự án còn bao gồm việc chế tạo thiết bị mẫu và thực hiện các thử nghiệm cơ bản nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống.

Bài viết không đi sâu vào nghiên cứu các bộ lọc và bộ hiệu chỉnh tín hiệu cho cảm biến, đồng thời cũng không đánh giá một cách chi tiết về độ chính xác và độ lặp lại của hệ thống.

CHUẨN BỊ

Các thiết bị sử dụng

LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số LCD 16x2 có

16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN)

5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế

Hnh 2.1 Thông số của LCD 16x2

Hnh 2.2 Sơ đồ chân của LCD 16x2

Thông số kỹ thuật của LCD 16x2

LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số.

LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN).

5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2.

Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu.

Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.

LCD 16x2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm.

Ưu điểm của màn hình LCD 16x2

‐ Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.

‐ Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.

‐ Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

‐ Có bộ ký tự được xây dựng hỗ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật

Hnh 2.3 Mặt sau của màn hnh LCD

 Sơ đồ kết nối của màn hình LCD 16x2

‐ 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

Trong chế độ "ghi", các tín hiệu logic "0" từ bus DB0 đến DB7 sẽ được kết nối với thanh ghi lệnh IR của LCD, trong khi ở chế độ "đọc", chúng sẽ nối với bộ đếm địa chỉ của LCD.

 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, hay còn gọi là chân cho phép (Enable), đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các tín hiệu trên bus DB0-DB7 Khi có xung cho phép từ chân E, các lệnh sẽ được chấp nhận Cụ thể, trong chế độ ghi, dữ liệu trên bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi nội bộ khi phát hiện xung chuyển từ cao xuống thấp (high-to-low transition) của chân E Ngược lại, trong chế độ đọc, dữ liệu sẽ được LCD xuất ra bus DB0-DB7 khi có cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và sẽ được giữ trên bus cho đến khi chân E trở về mức thấp.

Chân số 7 đến 14, từ D0 đến D7, là 8 đường bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có hai chế độ sử dụng cho 8 đường bus này: chế độ 8 bit, trong đó dữ liệu được truyền trên cả 8 đường với bit MSB là DB7, và chế độ 4 bit, trong đó dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 đến DB7, với bit MSB là DB7.

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

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

2.1.2 Mạch nạp code Arduino Uno R3

Arduino Uno là dòng mạch phổ biến nhất trong các sản phẩm Arduino, với phiên bản thế hệ thứ 3 (R3) được ưa chuộng hiện nay Mạch này thường được sử dụng để tự thiết kế các ứng dụng điện tử, như điều khiển đèn LED, đo nhiệt độ và độ ẩm, cũng như hiển thị thông tin trên màn hình LCD.

Hnh 2.5 Sơ đồ chân Arduino

Thông số kĩ thuật của Arduino

‐ Vi xử lý (Microcontroller): o MCU: ATmega328P o Kiến trúc: 8-bit AVR o Tốc độ xử lý: 16 MHz o Bộ nhớ flash: 32 KB o Bộ nhớ SRAM: 2 KB o Bộ nhớ EEPROM: 1 KB

‐ Điện áp hoạt động: o Điện áp hoạt động: 5V o Điện áp đầu vào (recommended): 7-12V o Điện áp đầu vào (điều kiện tối đa): 6-20V

Bảng điều khiển này có tổng cộng 14 đầu ra kỹ thuật số, trong đó bao gồm 6 đầu ra PWM Điện áp của các đầu ra kỹ thuật số là 5V, và dòng tối đa cho mỗi chân là 20mA.

‐ Đầu vào kỹ thuật số: o Tổng cộng đầu vào kỹ thuật số: 6 o Điện áp đầu vào kỹ thuật số: 5V o Chân số 0 và 1 hỗ trợ giao tiếp UART (Serial)

‐ Đầu ra PWM: o Số kênh PWM: 6 (đầu ra số 3, 5, 6, 9, 10, và 11) o Điện áp PWM: 5V o Tốc độ PWM: 490 Hz (mặc định)

‐ Đầu vào analog: o Số kênh đầu vào analog: 6 o Điện áp đầu vào analog: 0-5V o Độ phân giải analog: 10 bit

‐ Giao tiếp: o UART: 1 (cổng Serial) o I2C: 1 o SPI: 1 o Cổng USB: 1

‐ Kích thước: o Kích thước: 68.6 x 53.4 mm o Trọng lượng: 25g

‐ Hệ điều hành hỗ trợ: o Arduino IDE

1- Có thể sử dụng ngay: Ưu điểm lớn nhất của Arduino là có thể sử dụng ngay Vì Arduino là một bộ hoàn chỉnh gồm bộ nguồn 5V, một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm

Bạn không cần phải suy nghĩ về các kết nối lập trình hoặc bất kỳ giao diện nào khác Chỉ cần cắm nó vào cổng USB của máy tính.

Một trong những lợi thế nổi bật của Arduino là sự phong phú của thư viện mẫu có sẵn trong phần mềm Ví dụ, khi đo lường điện áp, người dùng có thể dễ dàng truy cập và sử dụng các thư viện này để thực hiện các dự án một cách hiệu quả và nhanh chóng.

Để đo điện áp bằng vi điều khiển ATmega8 và hiển thị kết quả trên màn hình máy tính, bạn cần thực hiện một quy trình gồm ba bước chính Đầu tiên, tìm hiểu về bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) để thực hiện phép đo Tiếp theo, học cách giao tiếp nối tiếp để truyền dữ liệu Cuối cùng, nắm vững kiến thức về bộ chuyển đổi USB để kết nối với máy tính.

3- Các chức năng giúp đơn giản hóa công việc:

Trong quá trình lập trình Arduino, bạn sẽ khám phá nhiều chức năng hữu ích giúp công việc trở nên dễ dàng hơn Một trong những lợi ích nổi bật của Arduino là khả năng tự động chuyển đổi giữa các đơn vị.

Trong quá trình gỡ lỗi, bạn không cần phải bận tâm về việc chuyển đổi đơn vị Hãy tập trung vào các phần quan trọng của dự án mà không phải lo lắng về những vấn đề không cần thiết.

Trên internet có rất nhiều diễn đàn thảo luận về Arduino, nơi các kỹ sư và chuyên gia chia sẻ các dự án của họ Bạn có thể dễ dàng tìm thấy mọi thông tin liên quan đến Arduino.

Lợi thế lớn nhất của Arduino là cho phép người dùng tập trung vào ý tưởng sáng tạo khi thực hiện các dự án khác nhau, trong khi mọi khía cạnh kỹ thuật sẽ được Arduino đảm nhiệm.

Cấu trúc lớn của Arduino có thể là một nhược điểm khi xây dựng dự án, vì yêu cầu thu nhỏ kích thước sản phẩm Điều này dẫn đến việc phải sử dụng PCB có kích thước lớn, gây khó khăn trong việc tối ưu hóa thiết kế.

Nếu bạn đang làm việc trên vi điều khiển nhỏ như ATmega8 bạn có thể dễ dàng làm PCB càng nhỏ càng tốt.

Yếu tố quan trọng nhất mà bạn không thể phủ nhận là chi phí Đây là vấn đề mà mọi người kỹ sư hoặc chuyên gia phải đối mặt

Lúc này chúng ta phải xem chi phí cho Arduino có hiệu quả hay không.

LED là một loại diode đặc biệt, cho phép dẫn điện theo một hướng và phát ra ánh sáng khi có dòng điện đi qua Đèn LED 5mm được cấu tạo từ một chip LED DIP được bảo vệ bởi lớp vỏ epoxy hình vòm Kết nối nguồn được thực hiện qua hai chân dưới, trong đó chân dài hơn là cực dương (+) và chân ngắn hơn là cực âm (-) Việc phân biệt giữa hai cực này là rất quan trọng để đảm bảo LED hoạt động đúng cách.

Thông số kỹ thuật của led

‐ Kích thước: Đường kính 5mm.

‐ Điện áp hoạt động: Tùy màu sắc, thường từ 1.8 - 3.4V.

‐ Cường độ sáng: Tùy màu sắc, thường 20-150mcd.

‐ Nhiệt độ màu: Từ 2700K (trắng ấm) đến 8000K (trắng lạnh).

‐ Nhiệt độ hoạt động: -40 đến +80 độ C.

‐ Kết nối: 2 chân anode và cathode.

‐ Ứng dụng: Báo hiệu, chiếu sáng, trang trí

Hnh 2.7 Thông số của các led

Điện trở Ohm1/4W có kích thước nhỏ gọn với chiều dài 6.5mm và rộng 2mm, chân cắm 0.5mm Sản phẩm hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ -55oC đến 155oC và có điện áp rộng, phù hợp với nhiều loại mạch điện tử Trên thân điện trở, các vạch màu thể hiện trị số của điện trở theo quy ước quốc tế.

Hnh 2.8 Cách đọc giá trị điện trở

Cảm biến

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử dùng để phát hiện các trạng thái hoặc quá trình vật lý, hóa học và sinh học trong môi trường khảo sát Thiết bị này chuyển đổi thông tin thành tín hiệu điện, giúp thu thập dữ liệu về các trạng thái và quá trình đó.

Cảm biến, theo định nghĩa rộng, là thiết bị hoặc hệ thống có khả năng phát hiện sự kiện và biến đổi trong môi trường, sau đó chuyển đổi chúng thành tín hiệu để truyền tải thông tin đến các thiết bị điện tử khác, thường là máy tính.

Cảm biến ngày càng trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, từ các nút cảm ứng trên thang máy đến đèn tự động bật tắt khi chạm vào Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mà nhiều người không nhận ra Nhờ vào sự phát triển của cơ khí vi mạch và vi điều khiển dễ sử dụng, cảm biến đã mở rộng ra ngoài các ứng dụng truyền thống như đo nhiệt độ, áp suất và lưu lượng, ví dụ như cảm biến MARG trong hệ thống định vị và định hướng tư thế.

Giới thiệu một số loại cảm biến:

Cảm biến nhiệt TMP-36 là thiết bị chuyên dụng để đo lường sự thay đổi nhiệt độ của các đối tượng Khi nhiệt độ biến động, cảm biến sẽ phát tín hiệu, và các bộ đọc sẽ chuyển đổi tín hiệu này thành giá trị nhiệt độ cụ thể.

Chip TMP36 được sử dụng để đo nhiệt độ trung bình trong các ứng dụng kiểm soát môi trường và công nghiệp Thiết bị báo cháy có khả năng phát hiện sự gia tăng nhiệt độ, cho phép kích hoạt hệ thống khi nhiệt độ vượt qua ngưỡng giới hạn nhất định.

Hnh 2.9 Cảm biến nhiệt độ TMP36

Hnh 2.10 Sơ đồ chân của TMP36

Linh kiện hoạt động với một nguồn cung cấp duy nhất. Điện áp hoạt động trong phạm vi từ +2,7 V đến +5,5 V.

Con chip được hiệu chuẩn ở giá trị ° C do đó không cần mạch hiệu chuẩn bên ngoài Có đầu ra với độ chính xác ± 2 ° C trên toàn dải nhiệt độ.

Phạm vi nhiệt độ hoạt động là từ -40 ° C đến +125 ° C Tuy nhiên, nó có thể hoạt động ở nhiệt độ +150 ° C nhưng độ chính xác sẽ giảm.

TMP36 có hệ số thang giá trị đo đầu ra là 10 mV / ° C.

Dũng điện tĩnh nhỏ hơn 50 àA.

Thiết bị hoạt động tốt khi có dòng điện cung cấp dưới 50 μA, khả năng tự làm nóng rất thấp.

Có khả năng tắt tự động.

Cảm biến DHT11 là một thiết bị phổ biến dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm, được trang bị NTC chuyên dụng cho việc đo nhiệt độ và bộ vi điều khiển 8 bit để xuất dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm dưới dạng tín hiệu nối tiếp Với việc được hiệu chuẩn tại nhà máy, DHT11 dễ dàng tích hợp và giao tiếp với các bộ vi điều khiển khác.

Hnh 2.11 Giải thích các chân của DHT11

Cảm biến này có khả năng đo nhiệt độ từ 0 °C đến 50 °C và độ ẩm từ 20% đến 90%, với độ chính xác là ± 1 °C và ± 1% Nếu bạn cần đo nhiệt độ và độ ẩm trong các khoảng này, cảm biến này sẽ là lựa chọn lý tưởng cho bạn.

‐ Điện áp hoạt động: 3.5V đến 5.5V

‐ Dòng hoạt động: 0,3mA (đo) 60uA (chế độ chờ)

‐ Đầu ra: Dữ liệu nối tiếp

‐ Phạm vi nhiệt độ: 0 ° C đến 50 ° C

‐ Phạm vi độ ẩm: 20% đến 90%

‐ Độ phân giải: Nhiệt độ và Độ ẩm đều là 16-bit

Cảm biến ánh sáng là thiết bị quang điện chuyển đổi ánh sáng, bao gồm ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại, thành tín hiệu điện Thiết bị này có khả năng nhận diện biến đổi môi trường thông qua mắt cảm biến, từ đó tự động điều chỉnh mức độ ánh sáng phù hợp.

Linh kiện điện tử này được chế tạo từ chất liệu đặc biệt, có khả năng thay đổi điện trở giảm khi tiếp xúc với ánh sáng Đây là loại điện trở phi tuyến và phi ohmic.

Quang trở là một cảm biến nhạy sáng quan trọng, thường được sử dụng trong các mạch dò như máy đo ánh sáng khi chụp ảnh và trong các hệ thống xác định mức sáng tối của môi trường, giúp tự động kích hoạt và đóng cắt đèn chiếu sáng.

Hnh 2.13 Light Dependent Resister 5mm

Nguyên lý hoạt động: Sử dụng hiện tượng điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào.

LDR, hay điện trở quang, có đặc điểm điện trở thay đổi theo điều kiện ánh sáng: trong bóng tối, điện trở có thể lên tới 1MΩ, trong khi dưới ánh sáng mặt trời, nó giảm xuống chỉ còn vài trăm Ω Thiết bị này hoạt động với điện áp từ 3.3 đến 5 VDC.

Dòng điện hoạt động: < 1mA.

Phạm vi bước sóng phát hiện: 400-700nm.

Thời gian phản hồi: Bước nhảy