Đồ án: Xây dựng hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động PIR (có code đầy đủ)

Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động PIR.. Từ những yêu cầu thực tế đó, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộngvới sự hợp tác, phát triể

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: Cơ Điện Tử 3 Khóa: 13

2 Tên nhóm:

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến

chuyển động PIR

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)

- Nội dung 2: Xây dựng mô hình hệ thống (L1.1; L1.2)

- Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1)

- Nội dung 4: Viết báo cáo

3 Báo cáo thu hoạch và mô hình sản phẩm

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điềukhiển

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếucó): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng

Giáo viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Văn Trường

Bộ Công Thương ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Cơ Khí

 Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng

cảm biến chuyển động PIR

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

TS Nguyễn Anh Tú TS.Nguyễn Văn Trường

- Báo động bằng còi chip.

- Chỉnh được độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức

xạ của vật thể mong muốn

- Chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín hiệu bao lâu sau khi kích hoạt) qua biến trở tíchhợp sẵn

- Gửi cảnh báo đến điện thoại người dùng

2 Cấu trúc thiết bị

Cảm biến chuyển động Cảm biến thân nhiệt và chuyểnđộng

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu ADC ngoài hoặc trong chíp

Hiện thị nhiệt độ tức thời LCD /LED/Monitor

4 Nội dung báo cáo

- Báo cáo: Trình bày khổ giấy A4 theo quy định

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Các yêu cầu cơ bản

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)

Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống

Kết Luận.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1: Tổng quan về hệ thống 5

1.1.Giới thiệu chung 5

1.2.Các yêu cầu cơ bản 5

1.3.Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 6

1.4.Ý nghĩa thực tiễn 7

Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống 8

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 8

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 8

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 16

2.3.1 Giới thiệu và phân tích một số loại bộ điều khiển phổ biến 16

2.3.2 Chọn lựa bộ điều khiển thích hợp 21

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 21

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống 22

Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống 24

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí 24

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử 27

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 28

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 29

PHỤ LỤC 31

1.Code xây dựng hệ thống 31

2.Tài liệu tham khảo 33

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Nguyên lí hoạt động cảm biến chuyển động Rada 9

Hình 2: Nguyên lí hoạt động cảm biến chuyển động siêu âm 10

Hình 3: Sơ đồ các chân đầu ra của cảm biến PIR HC-SR501 14

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo board PIR HC-SR501 14

Hình 5: Tín hiệu ở mức cao nếu tiếp tục phát hiện chuyển động 15

Hình 6: Tín hiệu ở mức cao được điều chỉnh bằng chiết áp 15

Hình 7: Hai thành phần RL và RT 16

Hình 8: Sơ đồ cắm chân của hệ thống 22

Hình 9: Mô phỏng hệ thống khi chưa cấp nguồn 23

Hình 10: Mô phỏng hệ thống khi cấp nguồn và phát hiện chuyển động 23

Hình 11: Arduino Uno R3 24

Hình 12: PIR sensor HC-SR501 24

Hình 13: Buzzer 5V 25

Hình 14: LED 25

Hình 15: Module SIM800L 25

Hình 16: Pin Lipo3,7V-1200mAh 26

Hình 17: Dây cắm 26

Hình 18: Xây dựng hệ thống 27

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: So sánh 2 module PIR HC-SR501 và HC-SR505 13

Bảng 2: So sánh các loại vi điều khiển 20

Bảng 3: Thử nghiệm phát hiện chuyển động của hệ thống 29

Bảng 4: Thử nghiệm độ xa phát hiện chuyển động của hệ thống 29

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu hướng phát triển không ngừng của nền công nghệ những thập kỉqua, công nghệ điện tử cũng ngày càng phát triển vượt bậc Các vi mạch với khảnăng tích hợp ngày càng lớn, tốc độ xử lý được tăng cao, chính xác hơn và giáthành rẻ hơn Ban đầu, các IC được chế tạo với những chức năng chuyên dụng, dầndần, yêu cầu một linh kiện đa năng ra đời Vi xử lý là một linh kiện cho phép hoạtđộng theo một chương trình mà người sử dụng đặt ra, được ứng dụng trong rấtnhiều lĩnh vực

Đời sống xã hội ngày một thay đổi, bên cạnh những tiến bộ thì các vấn đềcũng nảy sinh càng nhiều, đặc biệt là khi quy mô hoạt động của tổ chức được mởrộng Trong nhiều trường hợp, việc quản lý trở nên vô cùng khó khăn khi số lượngđối tượng quản lý quá lớn, làm cho hoạt động bị đình trệ, mất nhiều thời gian màlại không hiệu quả Do đó, một hệ thống tự động điều tiết sẽ giúp cho con người dễdàng hơn trong việc giám sát, đảm bảo tính công bằng, và đặc biệt là sự tiến bộtrong các hoạt động xã hội

Bằng một ý tưởng có tính ứng dụng cao ngoài thực tế, chúng em lựa chọn đềtài “ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM SỬ DỤNG CẢM BIẾNCHUYỂN ĐỘNG PIR ” Hệ thống có khả năng tự động cảnh báo bằng chuông khi

có trộm Đây là hệ thống được ứng dụng ở các nhà kho, hộ gia đình, nó còn cảnhbáo cho cư dân trong tòa nhà nơi mà cần hệ thống bảo mật tốt mỗi ngày Ngoài

ra, hệ thống này là giải pháp tốt cho các thiết bị cần bảo mật ở các công ty, bệnhviện, cơ quan hành chính, cơ quan Thuế & Hải quan, các công ty Bảo hiểm, Ngânhàng và chứng khoán, các Trung tâm dịch vụ, nhà ga-bến xe Dưới sự kiểm soátcủa hệ thống này, quá trình bảo mật sẽ trở nên tốt hơn và hiệu quả hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung

Như chúng ta đã biết, trong thời gian gần đây tình trạng trộm cắp đã trở nên tinh vi

và phổ biến tại Việt Nam Các vụ việc trên không những gây thiệt hại lớn về tiền,tài sản của các gia đình, tạo ra sự lo lắng cho nhiều người, mà còn ảnh hưởng đếntrật tự an toàn xã hội Sau hàng loạt vụ việc trên nhiều gia đình đã có biện pháptăng cường lắp đặt các hệ thống báo trộm cho gia đình Tuy nhiên những biện pháp

đó đôi khi cũng không phát huy được nhiều tác dụng

Từ những yêu cầu thực tế đó, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộngvới sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng em đã chọn đề tài

“Hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động PIR ” nhằm

đáp ứng được nhu cầu phát hiện và cảnh báo sớm đến thoại người dùng và gópphần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của gia đình và toàn xã hội

1.2 Các yêu cầu cơ bản

Từ ý tưởng ban đầu, dựa vào những kiến thức đã được học, nhóm bắt đầu tiến hànhtìm hiểu những lý thuyết liên quan và sau đó bắt tay vào thiết kế và thi công mạchthực tế với các yêu cầu cơ bản cho hệ thống như sau:

- Phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại (con người, convật, các vật phát nhiệt, ) trong phạm vi nhất định

- Báo động bằng còi chip

- Chỉnh được độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức

xạ của vật thể mong muốn

- Chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín hiệu bao lâu sau khi kích hoạt) qua biến trở tíchhợp sẵn

- Gửi cảnh báo đến điện thoại người dùng

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

*Phương pháp

Quá trình thực hiện đồ án của nhóm trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, ứng vớimỗi giai đoạn cần đưa ra một phương pháp nghiên cứu phù hợp để công việc đượcgiải quyết nhanh và hiệu quả

+ Trong giai đoạn đầu của đồ án, nhóm tìm hiểu những vấn đề hiện nay, đưa ranhững ý tưởng ban đầu, đánh giá mức độ khả quan của đề tài, từ đó lựa chọn đề tàiphù hợp cho nhóm

+ Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm tiến hành tìm hiểu những nội dung lý thuyết liênquan Việc tìm hiểu các đề tài liên quan đến nội dung đồ án là khá quan trọng vì nógiúp nhóm bước đầu xây dựng được mô hình tổng quát và lựa chọn được giải phápthiết kế phù hợp với đề tài, qua tìm hiểu, chúng em cũng nhận ra được nhữngnhững mặt còn hạn chế của những đề tài trước đó, từ đó có những hướng phát triểnmới mẻ hơn

+ Sau khi xây dựng thành công sơ đồ khối tổng quát, chúng tôi lần lượt đi vào thiết

kế từng khối trong sơ đồ

+ Để đánh giá hoạt động của hệ thống, chúng em đưa ra các tình huống mà hệthống sẽ gặp phải trong quá trình vận hành và tiến hành kiểm tra Từ kết quả thựcnghiệm nhận được, nhóm tiến hành hiệu chỉnh lại hệ thống, sau đó tiến hành lạicác bước thử nghiệm như ban đầu Quá trình tiếp tục cho đến khi hệ thống vậnhành theo đúng yêu cầu đã đặt ra

*Phạm vi

“Hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động PIR” hoàn thành

sẽ góp phần vào việc ổn định an ninh xã hội, giảm thiểu thời gian và chi phí choviệc bảo vệ các tài sản cá nhân, tập thể, các cơ quan xí nghiệp… Đồng thời là mộtgiải pháp phù hợp với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại ngày nay, khi

mà một người từ một vị trí bất kì nơi đâu đều có thể gián tiếp bảo vệ tài sản củamình

thông qua mạng điện thoại

*Giới hạn nghiên cứu

Đi sâu nghiên cứu:

- Dùng Arduino Uno R3 làm bộ điều khiển xử lí tín hiệu

- Dùng cảm biến PIR HC-SR501 để cảm biến có trộm đưa vào vi xử lí điều khiển.

- Dùng Module SIM800L gọi điện cảnh báo cho người dùng

- Dùng đèn LED và Buzzer để báo động

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Ngày nay đi cùng với sự phát triển của hiện đại, việc bảo mật đã trở nên quenthuộc và thông dụng đối với người dân Việt Nam Tuy nhiên trong thời gian gầnđây tình trạng cắt trộm, đục phá các gia đình, cơ quan diễn ra thường xuyênkhông những ảnh hưởng tới tài sản, uy tín của các công ty mà còn ảnh hưởng đến

an ninh trật tự xã hội

Từ những nhu cầu thực tế đó, nhóm em muốn đưa ra giải pháp thiết kế một hệthống giám sát cho các gia đình, cơ quan thông qua cuộc gọi, đề tài lấy cớ sở làcuộc gọi để cảnh báo người dùng Việc sử dụng cuộc gọi để cảnh có những thuậnlợi là nhanh chóng, hiệu quả cao, mang tính cạnh tranh và cơ động cao (nghĩa làchỗ nào có phủ sóng mạng điện thoại di động ta cũng có thể nhận dược thông báo).Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượngkhác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

a) Khái niệm cảm biến chuyển động : Cảm biến chuyển động là một thiết bị phát

hiện chuyển động vật lý trên thiết bị hoặc trong môi trường Nó có khả năng pháthiện và nắm bắt các chuyển động vật lý hoặc động học trong thời gian thực

Một cảm biến chuyển động còn được gọi là một máy phát hiện chuyển động

Tùy thuộc vào khả năng của cảm biến chuyển động, nó có thể phát hiện chuyển động trong thiết bị được tích hợp hoặc môi trường xung quanh Nó thường được kết nối với một hệ thống hoặc phần mềm xử lý chuyển động thành một hành động hoặc thông tin

Nguồn

Cảm biến PIR

Còi báođộng

Bộ xử lí trung tâm(Arduino)

Gọi điện thoạiđến số chủ

b) Phân loại cảm biến chuyển động:

Cảm biến chuyển động có thể được chia thành 4 loại như sau:

-Cảm biến chuyển động rada (vi sóng)

-Cảm biến chuyển động siêu âm

-Cảm biến chuyển động công nghệ kép

-Cảm biến chuyển động hồng ngoại

c) Phân tích từng loại cảm biến và lựa chọn loại thích hợp cho nghiên cứu

- Cảm biến chuyển động rada (vi sóng)[1]: hoạt động dựa trên hiệu ứng doppler,tần số 5.8 Ghz dưới 10m sẽ nhận tín hiệu khi người,vật chuyển động qua và sẽphản hồi lại đóng tiếp điểm mạch điện lại cấp nguồn cho đèn sáng Cảm biến rada

có khả năng cảm biến xuyên vật cản như tường mỏng, gỗ, kính

(Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian AndreasDoppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ haycác sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối vớingười quan sát.)

Hình 1: Nguyên lí hoạt động cảm biến chuyển động Rada

+ Ưu điểm: ► Độ nhạy cao

►Có khả năng phát hiện chuyển động nhỏ xuyên tường mỏng, gỗ,nhựa, …

►Cảm biến có góc quét rộng: 360 độ, không điểm chết

- Cảm biến chuyển động siêu âm [2]: là 1 loại cảm biến hoạt động dựa trên sóng

siêu âm, hoạt động dựa trên nguyên tắc cho và nhận, tức là bản thân cảm biến sẽ

phát ra sóng liên tục với tốc độ của sóng siêu âm Khi bước sóng này gặp vậtcản sẽ phản hồi lại bước sóng này, cảm biến siêu âm sẽ nhận lại bước sóng phản

hồi này đồng thời phân tích để biết được khoảng cách từ vật cản tới cảm biến

Hình 2: Nguyên lí hoạt động cảm biến chuyển động siêu âm

+ Ưu điểm:

►Độ chính xác cao, đo được khoảng cách xa

►Không cần tiếp xúc mà vẫn cảm biến được nên được dùng nhiều trong nhàmáy.

Cảm biến chuyển động công nghệ kép rất nhạy và có độ chính xác rất cao nên thường được sử dụng trong công nghiệp, hay những thiết bị công nghệ cao Vì vậy giá thành tương đối cao

Đề tài mà nhóm nghiên cứu là xây dựng hệ thống chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động, hướng tới đối tượng: các hộ gia đình, văn phòng, … có qui mô nhỏ Việc sử dụng cảm biến chuyển động công nghệ kép là không cần thiết mà giá thành lại cao

-Cảm biến chuyển động hồng ngoại [3]: Cảm biến chuyển động hồng ngoại được

chia làm 2 loại nhỏ:

+ Cảm biến chuyển động hồng ngoại chủ động (tích cực): có nguyên lí giống với cảm biến siêu âm, bao gồm bộ phát và bộ thu Bộ phát có sẽ phát ra một chùm tia sáng hồng ngoại đến bộ thu đặt ở xa Bộ thu sẽ liên tục nhận chùm tia năng lượng hồng ngoại từ bộ phát Năng lượng này được chuyển đổi thành dòng điện nhờ các

tế bào quang điện Nếu bộ thu không nhận được năng lượng hồng ngoại từ bộ phát

do chùm tia hồng ngoại bị che chắn, thiết bị báo động sẽ ngay lập tức chuyển sang chế độ cảnh báo.

Cảm biến chuyển động hồng ngoại tích cực gồm 2 loại:

►Loại đơn tia: thường được sử dụng chống đột nhập, cự li gần cửa sổ hoặc cửa ravào Với phạm vi sử dụng hẹp, rất dễ nhầm lẫn khi chỉ cần một vật thể chặn đi tia đơn cũng gây ra báo động giả

►Loại đa tia: được sử dụng chống đột nhập cho các khoảng cách lớn, ngoài trời, như hàng rào (khi các tác nhân gây báo động giả nhiều hơn) Không thích hợp để

sử dụng chống trộm trong nhà, văn phòng

+ Cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động (PIR): Cảm biến hồng ngoại không

tự phát ra tia hồng ngoại mà nó nhận tia hồng ngoại phát ra từ thân thể người vàvật Khi có một đối tượng đi qua, PIR sẽ phát hiện được thay đổi của nhiệt độ màđưa ra cảnh báo

PIR có khả năng phân biệt được cả chuyển động của người và đồ vật Góc quétrộng 360 độ, hoàn toàn có thể điều chỉnh được góc cảm ứng theo ý muốn của mình

và sử dụng vách ngăn để tránh vùng không muốn cảm ứng Tuy nhiên không thểcảm biến xuyên vật cản Chính vì công nghệ này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ đểcảm biến nên tại môi trường có nhiệt độ cao thì cảm biến càng kém nhạy

Chính vì khả năng cảm biến tia hồng ngoại một cách thụ động, giá thành rẻ, phânbiệt được chuyển động của người và vật, giảm khả năng báo động giả PIR đáp ứngđược yêu cầu của đề tài Cảm biến kém nhạy khi nhiệt độ môi trường xung quanhcao, tuy nhiên mục đích của xây dựng hệ thống chống trộm hướng tới gia đình, vănphòng nơi có nhiệt động phòng khoảng 25 độ C nên không hề ảnh hưởng đến độnhạy của cảm biến

Qua việc phân tích kĩ từng đặc điểm, ưu nhược điểm của từng loại cảm biếnchuyển động, nhóm nhận thấy cảm biến PIR là giải pháp tối ưu nhất cho nghiêncứu xây dựng hệ thống chống trộm sử dụng cảm biến chuyển động Vì vậy, nhómquyết định sử dụng cảm biến PIR cho đề tài này

d) Chọn cảm biến PIR thích hợp với đề tài

Ngày nay trên thị trường có khá nhiều loại cảm biến PIR, phổ biến là 2 loại moduleHC-SR501 và HC-SR505

Bảng 1: So sánh 2 module PIR HC-SR501 và HC-SR505

Phạm vi phát hiện góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m. <100 độ, khoảng cách hoạt động từ 0,5-3m

Độ nhạy Độ nhạy cao, có thể điều chỉnh bằng biến trở Độ nhạy cao

Thông qua bảng so sánh trên có thể thấy rõ được sự tối ưu hơn của module SR501 trong việc xây dựng hệ thống chống trộm Điều làm cho PIR HC-SR501 trởnên đặc biệt đó là khả năng điều chỉnh được độ nhạy Khả năng này rất có ý nghĩakhi trong nhà có thú cưng (chó, mèo ) Với cảm biến PIR không có biến trở điềuchỉnh độ nhạy như HC-SR505, khi thú cưng đi ngang qua sẽ vẫn có tác dụng vớicảm biến và làm cảm biến hoạt động, kích hoạt chuông báo động kêu gây ra báođộng giả.Vì vậy, nhóm quyết định chọn cảm biến PIR HC-SR501 cho đề tài này

HC-e) Giới thiệu về module HC-SR501 [4]

Cảm biến HC-SR501 PIR có ba chân đầu ra VCC, Output và Ground như trong sơ

đồ bên dưới Nó có một bộ điều chỉnh điện áp tích hợp để nó có thể được cung cấpbởi bất kỳ điện áp DC nào từ 4,5 đến 12 volt, thường sử dụng 5V

Hình 3: Sơ đồ các chân đầu ra của cảm biến PIR HC-SR501

VCC là nguồn cấp cho cảm biến HC-SR501, kết nối với chân 5V trên Arduino

Out là đầu ra logic TTL 3.3V LOW cho biết không có chuyển động nào được pháthiện, CAO có nghĩa là một số chuyển động đã được phát hiện

GND Là chân kết nối với chân GND của Arduino

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo board PIR HC-SR501

Độ nhạy (Sensitivity Adjust) - Điều chỉnh khoảng cách tối đa mà chuyển động

của thân nhiệt có thể được phát hiện Nó dao động từ 3 mét đến khoảng 7 mét Nơiđặt cảm biến có thể ảnh hưởng đến phạm vi thực tế mà ta đạt được