Đồ án chuyên đề MẠCH PHÁT HIỆN VẬT CẢN BẰNG HỒNG NGOẠI KẾT HỢP GƯƠNG PHẢN XẠ

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN Nhóm: 03 TN: 09 MẠCH PHÁT HIỆN VẬT CẢN BẰNG HỒNG NGOẠI KẾT HỢP GƯƠNG PHẢN XẠ TIỂU LUẬN MÔN HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 05 NĂM 2020 ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN MSV165143 Nhóm: TN: MẠCH PHÁT HIỆN VẬT CẢN BẰNG HỒNG NGOẠI KẾT HỢP GƯƠNG PHẢN XẠ Giảng viên chấm thi Ngày tháng năm 2020 GV chấm Ngày tháng năm 2020 GV chấm Điểm số Điểm chữ Ý kiến Ký tên (Họ Tên) Lê Quốc Đán TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 05 NĂM 2020 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Mục lục .2 Lời cảm ơn Lời cam đoan MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết hồng ngoại: 1.1 Phân loại: 1.2 Nguồn phát tia hồng ngoại: 10 1.3 Tính chất: .10 Cảm biến hồng ngoại E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ: 11 Mô tả: .11 2.2 Thông số kỹ thuật: 12 2.3 Sơ đồ chân: .12 2.4 Nguyên lý hoạt động Sensor E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ: 13 Sơ lược Arduino Uno R3: 17 3.1 Một vài thông số Arduino UNO R3: 17 3.2 Vi điều khiển: 18 3.3 Năng lượng: 18 3.4 Các chân lượng: 18 3.5 Bộ nhớ: 19 3.6 Các cổng vào/ra: 19 3.7 Lập trình cho Arduino: 20 Buzzer: 22 4.1 Giới thiệu: 22 4.2 Thông số kĩ thuật: 22 4.3 Sơ đồ chân: .23 4.4 Nguyên lý hoạt động: 23 4.5 Ứng dụng: 23 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 24 Sơ đồ khối: 24 Mạch nguyên lý: 24 Lưu đồ giải thuật: .25 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm tiểu luận môn học, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Lê Quốc Đán, giảng viên Bộ môn kỹ thuật điều khiển hữu tuyến vô tuyến - trường ĐHSG Tp.Hồ Chí Minh người tận tình hướng dẫn, bảo chúng em suốt trình làm tiểu luận Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo trường ĐHSG Tp.Hồ Chí Minh nói chung, thầy khoa ĐTVT nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành tiểu luận mơn học Tp.Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 05 năm 2020 Sinh Viên Thực Hiện Thiên Chúc Kim Thiên Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu Lời mở đầu Hệ thống xác định vật cản dành cho hộ gia đình hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an tồn cho hộ gia đình mục đính chống trộm Vì chi phí chế tạo hệ thống đắt so với nguồn tài nhiều hộ gia đình nên nhóm em định làm đề tài xác định vật cản chống trộm cho hộ gia đình với chi phí hợp lí chất lượng không thua hệ thống trang bị hộ gia đình giàu có, sang trọng Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Mục tiêu: Xác định loại cảm biến đo khoảng cách phù hợp Loại cảm biến có khả phát chướng ngại vật khoảng cách mà hộ gia đình biết có trộm xử lý biện pháp an tồn Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định chướng ngại vật hộ gia đình cho phù hợp Cảnh báo còi buzzer Nội dung: Tổng quan lý thuyết tia hồng ngoại, hệ thống phát chướng ngại vật Xây dựng phương trình giải thuật để tính tốn khoảng cách cho cảm biến tín hiệu đưa Dung phần mềm để lập trình điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách điều khiển cảm biến Thiết kế mơ hình Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp phản hồi phản xạ cảm biến hồng ngoại kết hợp với gương phản xạ Lập trình cho hệ thống cảnh báo Phương pháp nghiên cứu: Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống xác định vật cản hệ thống chống trộm giới Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống Đánh giá tổng quát toàn báo cáo nghiên cứu khoa học Đề nghị hướng phát triển đề tài Giá trị thực tiễn đề tài: Từ nhu cầu an tồn hộ gia đình trang bị hệ thống phát vật cản chống trộm, giúp cho hộ gia đình an tâm trình sinh hoạt gia đình CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết hồng ngoại: Tia hồng ngoại xạ điện từ có bước sóng dài ánh sáng nhìn thấy (mắt người cảm nhận màu sắc) ngắn tia xạ vi ba Tên “hồng ngoại” có nghĩa “ngoài mức đỏ”, màu đỏ màu sắc có bước sóng dài ánh sang nhìn thấy Bảng phân chia xạ sóng điện từ/ ánh sáng Tên Tia gamma Tia X Tia tử ngoại Ánh sáng nhìn thấy Tia hồng ngoại Vi ba Radio Bước sóng ≤ 0,01nm 0,01nm – 10nm 10nm – 380nm 380nm – 700nm 700nm – 1mm 1nm – 1m 1m – 100.000km Tần số (Hz) Năng lượng photon ≥ 30 EHz (eV) 124keV – 300+ GeV 30EHz – 30PHz 124eV – 124keV 30PHz – 790THz 3.3eV – 124eV 790THz – 430THz 1.7eV – 3.3eV 430THz – 300GHz 1.24meV – 1.7eV 300GHz – 300MHz 1.7eV – 1.24meV 300MHz – 3Hz 12.4feV – 1.24meV Vùng ánh sáng mà mắt người thơng thường nhìn thấy, cịn gọi “ánh sáng khả kiến”, có bước sóng từ 380nm đến 700nm hay tần số 430-790 THz Bức xạ hồng ngoại định nghĩa có bước sóng từ 700nm (tần số 430 THz) đến 1mm (300GHz) Một số sinh vật nhìn thấy tia hồng ngoại vùng gần kề với ánh sáng thường, số thí nghiệm có người nhìn thấy đến vùng hồng ngoại 1050nm Hình 1: Hình ảnh chó chụp camera hồng ngoại nhiệt Những chỗ có nhiệt độ cao phát tia hồng ngoại tần số cao hơn, thể màu nóng sáng hình Hình 2: Ảnh chụp bước sóng khác 1.1 Phân loại: Tia hồng ngoại phân chia theo bước sóng thành ba vùng chính, nhiên phân loại Mỹ phân chia vùng Phân loại thông dụng (theo phân loại Mỹ) Tên Viết tắt Bước Tần số Năng Đặc trưng sóng lượng Được xác định hấp thụ Hồng NIR, IR-A 750nm 214- photon 886- ngoại DIN -1,4µm 400TH 1653me nước, thường sử z V dụng viễn thơng sợi gần quang tổn thất suy giảm thủy tinh SiO2 mức trung bình Các máy khuếch đại hình ảnh nhạy cảm với vùng quang phổ này, Hồng SWIR, IR-B 1,4-3 100- 413- thiết bị nhìn đêm Hấp thụ nước tăng đáng ngoại DIN µm 214TH 886meV kể 1,45µm Dải 1,53- sóng z 1,56µm vùng phổ ngắn dùng nhiều viễn thông Hồng MWIR, IR-C 3-8µm 37- 155- đường dài Trong cơng nghệ dẫn đường 413meV tên lửa vùng 3-5 µm cửa ngoại DIN; MidIR 100TH sóng Cịn gọi z trun “intermediat dò tầm nhiệt” IR thụ động g e infrared” tên lửa bố trí để làm sổ khí quyển, “đầu việc, dẫn đường vào dấu hồng ngoại máy bay mục tiêu, thường chùm ống xả động phản lực Dải gọi hồng ngoại nhiệt, phát nhiệt độ cao Hồng LWIR, IR-C 8-15 20- 83- nhiệt độ thể Vùng “ảnh nhiệt”, ngoại DIN µm 37THz 155meV cảm biến sóng hồn tồn thụ động thu dài hình ảnh đối tượng có nhiệt độ cao nhiệt độ phịng, ví dụ thể người, mà không cần ánh sáng chiếu vào từ mặt trời, mặt trăng, đèn chiếu hồng ngoại Vùng gọi “hồng ngoại Hồng FIR 15- 0.3- 1.2- ngoại 1000 20THz 83meV xa µm nhiệt” Xem hồng ngoại xa laser hồng ngoại xa Phân loại tia hồng ngoại theo DIN Tên Ký hiệu gọi Hồng Bước Nhiệt độ sóng µm theo phân bố Wien >3700oK NIR Ghi  Phần sóng ngắn dãy NIR, ngoại ranh giới 780nm xác định theo gần thị giác người IR- 0,78… A 1,4 phổ ánh sáng Mặt Trời  Hồng ngoại chụp ảnh (ảnh màu hồng ngoại, ColorInfraRed CIR) 0,7-1,0 µm Phim chụp ảnh hấp IR- thụ dải  Phần sóng dài NIR 1,4…3,0 B  Ranh giới coi vùng 2.2 Thông số kỹ thuật:  Cảm biến vật cản tia hồng ngoại bước sóng 660nm  Hình dạng: xi lanh M18mm x 75mm  Phương pháp phát hiện: phản hồi phản xạ  Điện áp cấp: – 36VDC  Dòng điện đầu ra: 200-300mA  Dòng tiêu thụ tối đa: 300mA  Thới gian đáp ứng: 8-1 tương ứng với 0V->5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác  Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngồi chức thơng thường, chân dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác  LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (ký hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sang Arduino UNO có chân analog (A0->A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0-> 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V->5V Với chân AREF board, bạn đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng 0V -> 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4(SDA) A5(SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 3.7 Lập trình cho Arduino: Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn ngữ riêng Ngơn ngữ dựa ngôn ngữ Wiring viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại biến thể C/C++ Một số người gọi Wiring, số khác gọi C hay C/C++ Riêng gọi “ngơn ngữ Arduino”, đội ngũ phát triển Arduino gọi Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình Tin học 11 việc lập trình Arduino dễ thở bạn Để lập trình gửi lệnh nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án cấp đến cho người dùng mơi trường lập trình Arduino gọi Arduino IDE (Intergrated Development Environment) hình 20 Hình 14: Giao diện Arduino IDE Đoạn mã nguồn hình điều khiển đèn LED nhấp nháy với chu kỳ giây 21 Buzzer: 4.1 Giới thiệu:  Buzzer thiết bị tạo tiếng còi tiếng bíp Có nhiều loại buzzer áp điện, miếng phẳng vật liệu áp điện với hai điện cực Loại buzzer địi hỏi phải có dao động (hoặc vi điều khiển) để điều khiển Nếu bạn sử dụng điện áp chiều, kêu lách cách Chúng sử dụng vị trí cần phát âm không quan tâm đến việc tái tạo âm trung thực, lị vi sóng, báo cháy đồ chơi điện tử Chúng rẻ kêu to mà không cần sử dụng nhiều lượng Chúng mỏng, sử dụng vật phẳng thiệp chúc mừng  Yếu tố áp điện tạo điện áp có áp lực Do đó, buzzer áp điện sử dụng cảm biến áp suất micro  Bộ buzzer phức tạp bao gồm mạch dao động loa, cấp điện áp ta tiếng bíp tiếng cịi Sonalert tên thương hiệu phổ biến cho thiết bị này, nên bạn nghe thấy từ “Sonalert” sử dụng để loại còi module cịi  Ngồi cịn có cịi điện, sử dụng cuộn dây tiếp điểm điện động Khi cuộn dây cấp điện, tiếp điểm kéo phía cuộn dây, nhanh chóng đóng mạch tiếp điểm trở lại vị trí ban đầu tạo âm lớn (Nếu bạn thêm miếng sắt vào này, bạn chuông điện) Bạn tạo buzzer với rơle điện cách mắc nối tiếp cuộn dây với tiếp điểm thường đóng, kêu khơng to Chuông điện thường sử dụng hệ thống báo động, chng cửa, chng trường học Hình 15 : Buzzer 22 4.2 Thông số kĩ thuật:  Nguồn : 3.5V - 5.5V  Dòng điện tiêu thụ: 80 dB  Nhiệt độ hoạt động:-20 °C đến +70 °C  Kích thước : Đường kính 12mm, cao 9,7mm  Cịi Buzzer 5VDC có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, chất lượng tốt, sản xuất nhỏ gọn phù hợp thiết kế với mạch còi buzzer nhỏ gọn, mạch báo động 4.3 Sơ đồ chân: Có chân: chân Data, chân Vcc 4.4 Nguyên lý hoạt động: Hình 16: Mạch nguyên lý buzzer Khi tín hiệu mức cao cực B, transistor đẩy tín hiệu lên cực C tới buzzer Buzzer báo Ngược lại , cực B transistor nhận tín hiệu mức thấp đẩy xuống cực E xuống mass 4.5 Ứng dụng:  Do khả tái tạo âm trầm không tốt, nên loa áp điện thường dùng cho phát âm tần trung cao (0.5 100 kHz) điện thoại, để báo hiệu âm thiết bị điện tử cơng nghiệp gia dụng Nó khơng thích hợp cho tái tạo âm trung thực cao (Hi-Fi)  Các đầu phát siêu âm chế tạo theo quy cách riêng, phần tử loa áp điện, để phục vụ đo siêu âm máy siêu âm y khoa, dò khuyết tật, hay thăm dị mơi trường ( sonar, đo hồi âm, )  Các đầu phát siêu âm đủ mạnh, thiết kế để phát xung sóng có định hướng cao, dùng thiết bị làm siêu âm, dao động siêu âm làm bật hạt bụi bẩn bám vào bề mặt đồ vật 23 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ Sơ đồ khối: Hình 17: Sơ đồ khối mạch Mạch nguyên lý: Hình 18: Mạch nguyên lý 24 Mô tả phần cứng mạch: - Mạch Reset: sử dụng nút nhấn, tụ 10uF, điện trở 8.2KΩ Mạch định tần: thạch anh 12MHz, tụ 33pF - Cảm biến hồng ngoại E3F-R2N1 - Gương phản xạ - buzzer - điện trở 1KΩ - transistor NPN chuyển tín hiệu cho Buzzer  Nguyên lý hoạt động: - Khi cảm biến nhìn thấy gương, tín hiệu chân Data gửi vể cho vi điều khiển mức cao Vi điều khiển xử lý tín hiệu cấp mức thấp qua transistor xuống mass, không qua Buzzer (Buzzer khơng báo tín hiệu) - Khi có vật cản ngang qua vùng nhìn thấy gương cảm biến, tín hiệu chân Data gửi cho vi điều khiển mức thấp Vi điều khiển xử lý tín hiệu cấp mức cao qua transistor đến Buzzer (Buzzer báo tín hiệu) 25 Lưu đồ giải thuật: Hình 19: Lưu đồ giải thuật 26 ... thẳng, phản xạ, gây tượng nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng thông thường 10 Cảm biến hồng ngoại E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ: Hình 3: Cảm biến E3F-R2N1 kết hợp gương phản xạ Mô tả: Cảm biến vật cản hồng. .. TN: MẠCH PHÁT HIỆN VẬT CẢN BẰNG HỒNG NGOẠI KẾT HỢP GƯƠNG PHẢN XẠ Giảng viên chấm thi Ngày tháng năm 2020 GV chấm Ngày tháng năm 2020 GV chấm Điểm số Điểm chữ Ý kiến Ký tên (Họ Tên) Lê Quốc ? ?án. .. vật cản hồng ngoại gương phản xạ E3F-R2N1 IR Infrared Proximity Sensor with Reflector Plate bao gồm cảm biến vật cản hồng ngoại kèm với gương phản xạ, kết hợp cho khoảng cách phát vật cản tăng lên