Đề tài thực hiện việc tìm hiểu, nghiên cứu và tham khảo các tài liệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến, một số IC, động cơ dc… Các board mạch được thiết kế bằng phần mềm Orcad 9.2 và thực hiện thủ công, kết hợp với việc sử dụng board mạch vi xử lý Arduino và module mạch cầu H L298. Việc lập trình dựa trên môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE chạy trên máy tính cá nhân cho phép viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP Họ tên sinh viên: PHAN HIỀN THẢO Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Niên khóa: 2011 – 2015 Tp Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm 2015 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP TÁC GIẢ PHAN HIỀN THẢO Khóa luận tốt nghiệp đệ trình đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư chuyên ngành Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Thị Kim Ngà Tp Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm 2015 LỜI CẢM ƠN Trước hết xin chân thành cảm ơn cơng lao sinh thành, dạy bảo tốt đẹp mà ba mẹ dành cho để có ngày hôm Và em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, q thầy Trường Đại học Nơng Lâm nói chung, thầy Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ nói riêng, đặc biệt thầy Bộ Mơn Cơ điện tử tận tình truyền đạt cho em kiến thức quý giá suốt thời gian học trường Em xin cảm ơn cô Trần Thị Kim Ngà, ln tận tình quan tâm, hướng dẫn giúp đỡ em trình học tập tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luân văn tốt nghiệp Đồng thời xin cảm ơn bạn sinh viên lớp DH11CD bạn bè tận tình giúp đỡ suốt trình học tập, hoàn thành đề tài tốt nghiệp Chân thành cảm ơn người Tp HCM, ngày … tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực Phan Hiền Thảo TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP” thực Trường Đại học Nông Lâm từ tháng đến tháng năm 2015 Đề tài thực việc tìm hiểu, nghiên cứu tham khảo tài liệu cấu tạo, nguyên lý hoạt động số loại cảm biến, số IC, động dc… Các board mạch thiết kế phần mềm Orcad 9.2 thực thủ công, kết hợp với việc sử dụng board mạch vi xử lý Arduino module mạch cầu H L298 Việc lập trình dựa mơi trường phát triển tích hợp Arduino IDE chạy máy tính cá nhân cho phép viết chương trình cho Arduino ngơn ngữ C C++ Sau nghiên cứu thực đề tài, em hoàn thành báo cáo, chế tạo board mạch điều khiển, board cảm biến với ứng dụng như: điều khiển đèn led bật/tắt theo ánh sáng, kích loa báo khí gas rò rỉ mức nguy hiểm, đo chiều cao sản phẩm, đếm phân loại sản phẩm theo màu sắc Nội dung báo cáo gồm phần sau: Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết thảo luận Chương 5: Kết luận kiến nghị Hy vọng đề tài tư liệu tham khảo cho môn kỹ thuật đo lường cảm biến Do thời gian hạn chế nên đề tài có nhiều thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn bè để đề tài em hồn thiện MỤC LỤC TRANG TỰA i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH .ix DANH MỤC BẢNG .xii Chương 1: MỞ ĐẦU .1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài .2 1.2.1 Mục tiêu chung 1.2.2 Mục tiêu cụ thể Chương 2: TỔNG QUAN .3 2.1 Khái quát cảm biến .3 2.1.1 Giới thiệu cảm biến 2.1.2 Phân loại cảm biến 2.1.2.1 Cảm biến tích cực hay thụ động .3 2.1.2.2 Cảm biến tương tự số 2.1.2.3 Cảm biến phân loại theo tín hiệu kích thích 2.1.3 Ứng dụng cảm biến 2.2 Quang trở 2.2.1 Giới thiệu .5 2.2.2 Thông số kỹ thuật 2.2.3 Nguyên lý hoạt động 2.3 Cảm biến nhiệt ẩm DHT11 2.3.1 Thông số kỹ thuật 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 2.4 Cảm biến gas MQ – 2.4.1 Giới thiệu .9 2.4.2 Thông số kỹ thuật 10 2.4.3 Nguyên lý hoạt động 11 2.5 Cảm biến hồng ngoại 11 2.5.1 Giới thiệu .11 2.5.2 Nguyên lý hoạt động 12 2.6 Cảm biến màu TCS3200 .13 2.6.1 Giới thiệu .13 2.6.2 Thông số kỹ thuật 13 2.6.3 Nguyên lý hoạt động 14 2.7 Cảm biến siêu âm SRF05 15 2.7.1 Giới thiệu .15 2.7.2 Thông số kỹ thuật 16 2.7.3 Nguyên lý hoạt động 18 2.7.3.1 Chế độ 1: Tách biệt kích hoạt phản hồi 18 2.7.3.2 Chế độ 2: Dùng chân cho kích hoạt phản hồi 19 2.7.4 Ứng dụng .20 2.8 Board mạch Arduino Mega 2560 21 2.8.1 Giới thiệu .21 2.8.2 Thông số kỹ thuật 22 2.9 Động DC .23 2.9.1 Cấu tạo 23 2.9.2 Nguyên lý hoạt động 24 2.9.3 Phương pháp điều khiển 24 2.10 Mạch cầu H L298 .24 2.10.1 Giới thiệu 24 2.10.2 Nguyên lý hoạt động 25 Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 3.1 Nội dung thực .26 3.2 Phương pháp nghiên cứu thực 26 3.2.1 Phần khí 26 3.2.2 Phần điện tử 27 3.2.3 Phần điều khiển 27 3.3 Phương tiện thực 27 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 4.1 Sơ đồ khối 29 4.2 Phần mơ hình .30 4.2.1 Sơ đồ cấu tạo .30 4.2.2 Nguyên lý hoạt động 31 4.2.3 Mơ hình chế tạo 32 4.3 Thiết kế phần mạch điều khiển 32 4.3.1 Khối nguồn 32 4.3.2 Khối cảm biến 33 4.3.2.1 Cảm biến quang trở 33 4.3.2.2 Cảm biến nhiệt ẩm DHT11 34 4.3.2.3 Cảm biến gas MQ – 35 4.3.2.4 Cảm biến hồng ngoại 36 4.3.2.5 Cảm biến màu TCS3200 37 4.3.2.6 Cảm biến siêu âm SRF05 .37 4.3.3 Khối cơng tắc hành trình 38 4.3.4 Khối công suất .39 4.3.5 Khối nút nhấn 40 4.3.6 Khối hiển thị 41 4.3.6.1 Khối hiển thị led đơn 41 4.3.6.2 Khối hiển thị led đoạn .42 4.3.7 Khối điều khiển 43 4.4 Thiết kế phần mềm .44 4.4.1 Lưu đồ giải thuật chung .45 4.4.2 Lưu đồ đo chiều cao sản phẩm .46 4.4.3 Lưu đồ giải thuật đếm phân loại sản phẩm 46 4.4.4 Lưu đồ giải thuật nút nhấn hiển thị 48 4.5 Khảo nghiệm 49 4.5.1 Đánh giá độ xác ổn định từ kết thí nghiệm .49 4.5.1.1 Đo nhiệt độ độ ẩm 49 4.5.1.2 Đo chiều cao sản phẩm 50 4.5.2 Đánh giá độ xác ổn định phần điều khiển .51 4.5.2.1 Đếm phân loại sản phẩm 51 4.5.2.2 Khảo nghiệm cảm biến gas 51 4.5.2.3 Đo giá trị quang trở .52 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 5.1 Kết luận 53 5.2 Kiến nghị 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 55 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Curent IC Intergarated Circuit ICSP In – Circuit Serial Programming IDE Intergrated Development Environment LDR Light Dependent Resistor LED Light Emitting Diode LPG Liquefied Petroleum Gas MCU .Micro Controler Unit PPM Parts Per Million PWM Pulse Width Modulation TTL Transistor – Transistor Logic UART .Universal Asynchronous Reveiver and Transmitter USB Universal Serial Bus V.O.M .Volt – Ohm – Meter DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Cấu trúc cảm biến phức hợp Hình 2.2: Cấu tạo quang trở Hình 2.3: Sự phụ thuộc quang trở vào độ rọi sáng Hình 2.4: Cảm biến nhiệt ẩm DHT11 Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến gas MQ – Hình 2.6: Mạch nguyên lý module cảm biến gas MQ – 10 Hình 2.7: Led hồng ngoại 11 Hình 2.8: Các hình thức thu/phát cảm biến hồng ngoại 12 Hình 2.9: Modul cảm biến màu TCS3200 13 Hình 2.10: Sơ đồ chân cảm biến màu TCS3200 14 Hình 2.11: Sơ đồ khối chức cảm biến màu TCS3200 14 Hình 2.12: Cảm biến siêu âm SRF05 16 Lần đo Thời gian Kết đo độ ẩm Kết đo độ ẩm (17/6/2015) DHT11 (%) (%) giờ 10 11 12 82 71 65 63 60 85 72 65 62 64 Sai số (%) 1 Nhận xét: kết đo độ ẩm cảm biến DHT11 nhiệt kế tương đối xác, giá trị sai số lớn độ ẩm 4% nằm khoảng sai số đo cảm biến DHT11 4.5.1.2 Đo chiều cao sản phẩm Phương pháp thí nghiệm: Khi mơ hình hoạt động, cho vật có chiều cao khác lên băng chuyền, ghi lại kết chiều cao sau lần đo vào bảng So sánh chiều cao đo từ cảm biến với kích thước thực tế vật, tính sai số chung bình Bảng 4.3: Kết đo chiều cao sản phẩm Sản phẩm Chiều cao Lần đo (mm) Lần 57 64 65 53 40 Lần Lần 57 62 62 56 39 61 64 63 51 39 Lần Lần thực tế 62 65 65 52 40 59 64 65 54 39 (mm) 59 60 61 50 39 Sai số trung bình (mm) 1,8 3,8 3,2 0,4 Nhận xét: sai số kết đo chiều cao vật không ổn định, kết đo chiều cao cảm biến so với kết đo thực tế có sai lệch nhiều Nguyên nhân đo khơng xác cảm biến hồng ngoại bị nhiễu ánh sáng, màu sắc, đo khoảng cách từ cảm biến đến vật băng chuyền chạy Vì vậy, việc đo chiều cao vật chưa ổn định độ xác chưa cao 4.5.2 Đánh giá độ xác ổn định phần điều khiển 50 4.5.2.1 Đếm phân loại sản phẩm Phương pháp thí nghiệm: Tiến hành cho sản phẩm lên băng tải, đợi sản phẩm phân loại xong cho sản phẩm Xem hoạt động cảm biến hồng ngoại (cảm biến 1, 2, 3), công tắc hành trình, động rút kết luận Bảng 4.4: Kết thí nghiệm đếm phân loại sản phẩm Cảm biến Sản phẩm Đỏ Các tiêu đánh giá Cảm biến Cần gạt A Cần gạt B hồng ngoại Phát màu sản Màu đỏ phẩm Phát Xanh sản Xanh phẩm Phát dương sản phẩm Đếm sản phẩm Gạt Tăng số lượng sản phẩm sản phẩm đỏ Màu xanh Gạt Tăng số lượng sản phẩm sản phẩm xanh Tăng số lượng Màu xanh sản phẩm xanh dương dương Nhận xét: cho sản phẩm lên băng chuyền để phân loại, cảm biến hồng ngoại phát sản phẩm, cảm biến màu nhận biết màu sắc sản phẩm, công tắc hành trình động hoạt động tốt Mơ hình đếm phân loại sản phẩm hoạt ổn định, có độ xác cao 4.5.2.2 Khảo nghiệm cảm biến gas Phương pháp thí nghiệm: Do khảo sát khí gas rò rỉ bình gas lớn nguy hiểm, nên em sử dụng bật lửa tạo trường có khí gas rò rỉ Thí nghiệm nhằm mục đích xem khoảng cách mà cảm biến gas phát khí rò rỉ Cho khí gas rò rỉ cách cảm biến từ gần đến xa để xem đáp ứng cảm biến gas Bảng 4.5: Kết khoảng cách phát khí gas rò rỉ Khoảng cách (cm) Đánh giá phát Phát 10 15 Phát 51 Phát 20 Phát 25 Khó phát khí gas nhanh nhanh khí gas trễ (lên (khoảng (khoảng (10 – 40 (khoảng đến vài giây) giây) giây) 60 giây) phút) Nhận xét: Cảm biến gas hoạt động tốt, loa báo cảm biến gas phát khí gas rò rỉ 4.5.2.3 Đo giá trị quang trở Phương pháp thí nghiệm: Cho quang trở mơi trường có mức sáng khác xem giá trị mà vi điều khiển nhận Bảng 4.6: Kết đo giá trị quang trở Môi trường Trời sáng Hồng hơn/ Bình minh Trời tối Giá trị vi điều Giá trị V.O.M đo khiển 30 - 380 380 - 540 540 - 980 (V) 0,2 – 1,6 1,8 – 2,4 2,6 – 4,2 Kết bật tắt đèn led Đèn led tắt Đèn led sáng Đèn led sáng Nhận xét: Khi quang trở chuyển từ mơi trường sáng qua mơi trường tối giá trị điện áp quang trở tăng dần, giá trị mà vi điều khiển đọc từ quang trở tăng dần Quang trở hoạt động tốt, bật/tắt đèn thông qua điều chỉnh biến trở Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Sau thời gian thực đề tài, em chế tạo hoàn thành board cảm biến, cụ thể em làm phần đây: 52 Đã tìm hiểu nghiên cứu cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến, động số linh kiện điện tử Thiết kế chế tạo mơ hình có kích thước nhỏ gọn, mạch điện tử đáp ứng yêu cầu điều khiển đề Xây dựng giải thuật điều khiển viết chương trình điều khiển cho mơ hình Mơ hình đo chiều cao sản phẩm, đếm phân loại sản phẩm, đo nhiệt độ độ ẩm, điều khiển bật/tắt đèn led báo khí gas rò rỉ qua loa Thực thí nghiệm, kết cho thấy mơ hình hoạt động ổn định, yêu cầu thiết kế 5.2 Kiến nghị Do thời gian thực ngắn nên thiết kế mơ hình hồn hảo ý muốn, mơ hình hoạt động tương đối tốt Để mơ hình hoàn thiện phát triển thêm, em xin đưa số kiến nghị sau: Sử dụng thêm cảm biến khác: cảm biến mưa, cảm biến lưu lượng, loadcell, … để tăng tính đa dạng mơ hình Có thêm truyền liệu từ mơ hình lên máy tính thơng qua bluetooth mang internet 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt: [1] Lê Chí Kiên, Giáo trình đo lường cảm biến, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2013, 318 trang [2] Phan Quốc Phô – Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, tái lần thứ sáu, 2008, 328 trang [3] Nguyễn Tấn Phước, Cảm biến đo lường điều khiển, Nhà xuất Hồng Đức, 2007, 128 trang [4] Nguyễn Văn Hòa – Bùi Đăng Thảnh – Hồng Sỹ Hồng, Giáo trình đo lường điện Cảm biến đo lường, Nhà xuất giáo dục, 2005, 392 trang Tài liệu tiếng anh: [5] Michael Margolis’s, Arduino Cookbook, 2011, 637 trang 54 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển int cb1 = 25, cb2 = 26, cb3 = 27,cb4 = 33; // Chan Out cua cam bien quang long a = 0, b = 0, c = 0, d = 0; // bien dem san pham char x = 0; //bien cam bien mau /////- LED đoạn -///// int latchPin = 30, clockPin = 31, dataPin = 32; const byte Seg[10] = {//thu tu *** f->a ****0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 0b00000011,//0 - từ a-f sáng 0b10011111,//1 - có b,c sáng 0b00100101,//2 - a,b,d,e,g sang 0b00001101,//3 - a,b,c,d,g sang 0b10011001,//4 - b,c,f,g sang 0b01001001,//5 - a,c,d,f,g sang 0b01000001,//6 - a,c,d,e,f,g sang 0b00011111,//7 - a,b,c sang 0b00000001,//8 - all 0b00001001,//9 - a,b,c,d,f,g sang }; long red, green, blue, all; int S2 = 22, S3 = 23, outPin = 24; int rColor, gColor, bColor, wColor; float pulseWidth; int in1=4, in2=5, in3=6, in4=7; int m,n,p,q,r,s; int ct1=A2, ct2=A3, ct3=A4, ct4=A5; int trig = 28, echo = 29; 55 long range; int kca,kcb,kcc; int latch2 = 40, clock2 = 41, data2 = 42; byte led; int button1 = 2, button2 = 3, button3 = 21, button4 = 20; int bien = 0; int ledred,ledgreen, ledblue; int quangtro = A6, bientro1 = A7, valqt, mqt, valbt1, mbt1, htqt; int ledqt = 44; int gas = A8, bientro2 = A9, valgas, valbt2, mgas, mbt2, htgas; int loa = 45; #include "DHT.h" const int DHTPIN = 43; const int DHTTYPE = DHT11; DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); float h, t; ///////===/////// void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(cb1,INPUT); pinMode(cb2,INPUT); pinMode(cb3,INPUT); pinMode(cb4,INPUT); pinMode(latchPin,OUTPUT); pinMode(clockPin,OUTPUT); pinMode(dataPin,OUTPUT); pinMode(S2,OUTPUT); pinMode(S3,OUTPUT); pinMode(outPin,INPUT); pinMode(in1,OUTPUT); pinMode(in2,OUTPUT); pinMode(in3,OUTPUT); pinMode(in4,OUTPUT); digitalWrite(in1,LOW); digitalWrite(in2,LOW); digitalWrite(in3,LOW); digitalWrite(in4,LOW); pinMode(trig,OUTPUT); pinMode(echo,INPUT); 56 pinMode(latch2,OUTPUT); pinMode(clock2,OUTPUT); pinMode(data2,OUTPUT); pinMode(button1,INPUT); pinMode(button2,INPUT); pinMode(button4,INPUT); digitalWrite(button1,1); digitalWrite(button2,1); digitalWrite(button4,1); pinMode(ledqt,OUTPUT); pinMode(loa,OUTPUT); dht.begin(); } void reset(){ if(digitalRead(button4)==0){ while(100