Cảm biến chuyển động

BỘ GIÁO D Ụ C & ĐÀO TẠO TRƯỜNG Đ Ạ I H Ọ C KỸ TH U Ậ T CÔNG N G H Ệ T P.H C M KHOA Đ IỆ N - Đ IỆ N TỬ NGÀNH Đ IỆ N TỬ LUẠN VAN TOT NGHIẸP ĐẼ TÁI CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG GVHD: NGUYÊN YĂN MAI SYTH : HOÀNG THỊ ÁI NGỌC MSSV: 02DHDT121 LỚP : 02DT02 T P H Ồ Chí Minh 01-2007 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHÙ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DL KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ — - O0 — su********* N H IỆ M y ụ L U Ậ N Á N T ố T N G H IỆ P Chú ý : s v phải đóng nhiệm vụ vào trang thứ nhât luận án Họ tên SV: ầ ữ a q M ụ Ẩ d f t , .MSSV : m t â T Ấ & ầ Ngành : ^ m .d Ầ d A ỉo .íĩ> b Ể x ỳ Lớp : ữtìŨÙA Đầu đề luận án tốt nghiệp : Q h ty ín .ã ẩ ỉ ỉ ị Nhiệm vụ (Yêu cầu nội dung sô' liệu ban đ ầ u ): hát hỉ ỵmadi odiân Aíí ^íudu ?.ỈUịu.ỊÁ đh:xỳ L tìík ) .Onp/.! A M t d.hirỹ N.Ù Gữỏo J ìx lo ầ & y A d d - -rr y C i lỉiCit Ẩìidh rxiứxíh: qua „đỂi.ứì *.b.L ^lìử skJhũù.iỡ Qấỉdx' .yi ứi: cdữĩ ' .dã* y.đTt .v.a ^ b.ổỉ .ổữ.i Ĩ.Q(2^ .IXĨA Ả ■ dJxjù.‘ yb í' Ngày giao nhiệm vụ luận án : 02/10/2006 Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 13/01/2007 Họ tên người hướng dẫn : 1/ I$ủs dq.um o \Jữ n / Nội dung yêu cầu LATN thông qua Ngày Uũ tháng yto năm 200Ê TRƯỞNG KHOA (Ký ghi rỗ họ tên) Phần hưởng dẫn 1/ (Mo.aa ựt>ị:-2 / / NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi ro họ tên) BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DÂN H ọ v tê n sinh v iê n : H O À N G T H Ị A I N G Ọ C M S SV : D H D T 121 K G iáo v iê n hướng d ẫ n : T h s N G U Y Ê N V A N M A I T ê n đ ề tà i : , C Ả M B IẾ N C H U Y Ế N Đ Ộ N G N h ậ n x é t củ a g iáo v iê n hướng d ẫn : "1111"" c m N hu cầu sống ln có chiều hướng lên, người ngày m uốn có v ật dụng tiện lợi m ang tính tự Với ý tưởng đó, đề tài “CẢ M B IẾ N CH U Y ÊN Đ Ộ N G ” m uốn chuyển tải đ ến m ột ý tưởng đơn giản v ề tự động, tự động điều khiển h ệ thống chiếu sáng ữong gia đình N gồi ra, với sơ đồ m ạch cịn có th ể ứng dụng làm h ệ thống b ảo vệ M ạch th iế t k ế dựa ý tưởng người ph át m ột chùm tia xa hồng ngoại chuyển động không th ể thấy m thường có khả p h át h iện Vì vậy, m ạch sử dụng linh kiện có khả b ắ t n h iệt có khả năg p h át h iện chùm tia xạ hồng ngoại th ể người p h át ra, linh k iện nhắc đến IC cảm b iến chuyển động cảm nhân tia hồng ngoại PIR (P yroelectric Infra_R ed) D o điều kiện chủ quan khách quan n ên m ạch th iết k ế chưa tốt, nhiều thiếu sót E m m ong q Thầy, Cơ giúp đỡ em tìm sai sót đ ể e m có th ể hồn chỉnh cho m ạch h o ạt động tốt M (im £ í im LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU Chương I: GIỚI THIỆU I PIR (Pyroelectric Infra_Red) II LM324 13 III IC CD40106 18 Chương II: TÍNH TỐN THIẾT k ế 21 I Sơ đồ khối 21 II Sơ đồ nguyên lý .21 III Tính toán thiết k ế .25 Khối cảm biến 25 Khối khuếch đ i 27 So sánh .30 T rễ 33 Điều khiển Relay 37 Chương III: HƯỚNG PHÁT TRIỂN đ ề t i 39 PHỤ LỤC 42 Cảm Biến Chuyển Động Ths Nguyễn Văn Mai Chương I: GIỚI THIỆU I PIR (Pyroelectric Infrared) PIR (Pyroelectric Infra-Red), cảm biến chip chế tạo từ thành phần PZT( Pb(Plumbum) Zirconate Titanate), vật liệu có khả tích điện tự nhiên lên bề mặt thiết bị tạo thành cực dương cực âm điện tích điều kiện bình thường, vật liệu thiên nhiên hay vật liệu nhân tạo hỏa điện (pyroelectrolic)O thường sử dụng film mỏng, bên GaN, CsN3, nha tng hp PVC, etc ââââââQđ 000Qâââ S phõn bố khơng ổn định dịng điện xảy có tác động tia hồng ngoại bên ngồi, xuất điện áp Ngõ cảm biến hồng ngoại làm thay đổi điện áp ban đầu Bộ cảm biến hồng ngoại có nhiều loại đơn, đơi, bốn cực, loại đơi thường sử dụng việc dò chuyển động người vật Hai thành phần đồng chất dùng làm hai cực cảm biến Và, đặt tạo thành hai cực đối diện Khi có thay đổi tia hồng ngoại, xảy lúc với đặt theo hướng hai cực, hai cực tích hai điện áp đối diện, nên khơng cho phép nhận thay đổi lúc đặt vào hai đầu cực, ngõ cảm biến không xuất điện áp Hoàng Thị A i Ngọc Ths Nguyễn Văn Mai Cảm Biến Chuyển Động 0 ■o ■Q Điện áp ngõ thay đổi có tác động chùm tia hồng ngoại lên hai cực điện tích khơng đồng thời Để phát thay đổi cảm biến, tác động bên so sánh với tia hồng ngoại đặt vào tạo điện áp nhỏ ngõ Khi có người hay vật ngang qua cảm biến, thay đổi chùm tia hồng ngoại đặt lên hai cực không đồng thời gây không cân điện áp, thay đổi điện áp ngõ xuất 1.1 Bức xa hổng ngoai: Bức xạ hồng ngoại tồn dạng chùm điện từ có bước sóng dài bước sóng ánh sáng nhìn thấy Nó khơng thể nhìn thấy phát Những vật thể phát nhiệt hay xạ hồng ngoại có xạ mạnh khoảng từ //m đến 14 jum, mạnh bước sóng 9.4//m Những tia hồng ngoại giới hạn khơng có nhiều vật liệu cho qua chùm tia hồng ngoại lại chắn ánh sáng nhìn thấy được; có, chùm tia hồng ngoại lọc qua ví cửa sổ hồng ngoại ( vật liệu chế tạo germanium hay silicon) Hoàng Thị Ai Ngọc Ths Nguyễn Văn Mai Cảm Biến Chuyển Động 1.2 Bô cám biến Pyroelectric F ie l: Bề mặt PIR chế tạo có kính (cửa sổ hồng ngoại) từ vật liệu thủy tinh hoạt động cách cửa chọn lọc cho phép loại tia qua (ở cho chùm tia hồng ngoại qua) Một điện trở mắc ngõ của hai cực điện tích (hai cảm biến), đồng thời có FET mắc vào cực cảm biến đưa hai ngõ 2; với ngõ nôi lên nguồn, chân số để lấy điện áp Fig FET thiết k ế tích hợp bên IC cảm biến nhằm giới hạn bước sóng chùm xạ nằm khoảng đến 14ụ m (tầm nhạy chùm xạ thể người) FR E S N E L LEN S \ THERM AL ENERGY - í + Fig Fig mơ hình điển hình cho hoạt động PIR Chân số PIR chân nguồn; chân sô" ngõ lây tín hiệu mắc với điện trơ9, Hồng Thị A i Ngọc Ths Nguyễn Văn Mai Cảm Biến Chuyển Động xuống chân số chân mass, khoảng 100KQ Vì điện áp ngõ chân số PIR nhỏ, tín hiệu ngõ cần phải qua khuếch đại điện áp; sau qua so sánh điện áp để lấy tín hiệu ngõ PIR khơng nhận tín hiệu liên tục mà hoạt động nhận tín hiệu khoảng thời gian 2-3 giây, sau lần nhận tín hiệu IC cảm biến nghỉ khoảng thời gian từ 7-10 giây 1.3 Thấu kính Khoảng cách hoạt động PIR độ vào khoảng 2dm, để PIR có tầm hoạt động xa rộng (khoảng > lOm), cần gắn trước thấu kính hội tụ fo c a l len gth Việc chọn thấu kính cho phù hợp quan trọng khơng kém, định khoảng cách hoạt động PIR hoạt động khoảng cách bao xa Mạch không hoạt động tốt hảo khơng có diện thấu kính Hồng Thị Ai Ngọc Cảm Biến Chuyển Động Ths Nguyễn Văn Mai Khối khuếch đại C5 0.1 Sử dụng hai opam p tích hợp IC LM324 hình thành mạch khuếch đại với hai tầng khuếch đại, việc chia làm hai tầng khuếch giảm bớt hệ sô" khuếch đại đặt lớn —» giá trị linh kiện lớn theo hệ sô" khuếch đại, sử dụng tầng khuếch đại: Trong mạch khuếch đại tầng thứ sử dụng dạng mạch khuếch đại không đảo, tầng thứ hai dùng mạch khuếch đại đảo Điện áp lấy từ ngõ PIR nhỏ (khoảng lmVpp), cho điện áp qua mạch khuếch đại lên lOOOOlần, làm hai cho hai mạch khuếch đại, với tầng có hệ sơ" khuếch đại 100 lần = 40dB Điện trở R4 nối song song với tụ C5 mắc chân sô" chân sô" IC1A LM324, tạo điện áp hồi tiếp hình thành lọc thông cao Điện trở R2 nôi tiếp với tụ C4 nối đến chân IC1A đưa xuốing mass -» lọc thông thấp Những điện trở tụ kết hợp lại với để đặt độ lợi cho mạch khuếch đại tạo lọc thơng dãi lọc tín hiệu ngồi khoảng 0.1Hz -T-10Hz Hoàng Thị Ai Ngọc 27 Cảm Biến Chuyển Động Ths Nguyễn Văn Mai Bộ cảm biến pyroelectric thiết bị cảm nhiệt thời gian đáp ứng bị giảm khoảng băng thơng mà nằm ngồi dãi băng thơng nói Việc lọc tín hiệu ngõ giúp khử tín hiệu nhiễu nguồn tín hiệu khơng muốn giúp cho khuếch đại hoạt động ổn định Ngõ tầng khuếch đại thứ nhất, nối tiếp với điện trở R5 tụ C6 đưa vào chân số IC1B Tụ C6 ngăn dòng DC qua tầng khuếch đại thứ với điện trở R5 làm lọc thông cao cho tầng thứ để giảm độ lợi tần số thấp Điện trở R6 song song với C7 hồi tiếp từ chân sô" IC1B chân số Ngõ vào khuếch đại không đảo chân sô" giảm xuốing cách giảm Vi điện áp nguồn cung cấp (câ"p nguồn 6V), cách chia áp từ hai điện trở R7, R8, hai diode D l, D2 Giá trị điện áp ngưỡng tùy thuộc theo ý tưởng người thiết kê" Hê sô" khuếch đai: Ở tầng khuếch đại tầng thứ nhất: R4 1+ — =100 R2 RA = 99R2 Chọn R2 = 8.2KQ => R4 = 99x8.2K Q = 811.8KQ => Chọn R4 = 820K Q Hệ sô" khuếch đại cho tầng thứ 2: = 100 R5 R6 = 100i?5 — Chọn R5 = 10KQ => R6 = IM Q Hoàng Thị A i Ngọc 28 Cảm Biến Chuyển Động Ths Nguyễn Văn Mai Mắc nối tiếp với điện trở R6 thêm biến trở VR1 = 1MQ để thay đổi hệ số khuếch đại muốn tăng độ nhạy cho cảm biến Tụ C5, C7 chức nói trên, hai tụ cịn có tác dụng lọc tín hiệu có tần số cao Hai tụ C4, C6 ngăn điện áp DC qua mạch khuếch đại Nếu cho nguồn DC qua mạch khuếch khuếch đại lên với hệ sô" khuếch đại định điện áp DC ngõ mạch khuếch đại lớn, làm tổn hao dòng Tụ điện mắc hồi tiếp điện áp ngăn điện áp có tần sô" cao hồi tiếp ngược thường chọn có giá trị 0.1 JU F Hai tầng khuếch đại hoạt động lọc thông dãi, loại bỏ tín hiệu có tần sơ" cao (thơng thường 10Hz), tín hiệu có tầng sơ" nhỏ 0.1Hz Do đặc tính PIR, dao động tín hiệu ngõ khơng lớn nên bỏ qua phần lọc thông dãi hai tầng khuếch đại Tuy nhiên, để mạch hoạt động tốt nên dùng lọc để lọc bỏ tín hiệu khơng mong muốín có, thơng thường ứiệt thành phần DC Tần sô" cắt cho hai tầng khuếch đại / r x C x R2 ĩ ĩ x C x R5 » tĩ x C x S.2KQ , = 2 ttxC x IOKQ, -> C « C « / / / / -> Chọn C4 = C6 = 10//H Hoàng Thị Ai Ngọc 29 Ths Nguyễn Văn Mai Cảm Biến Chuyển Động So sánh VCC2 Điện áp chân số LM324 tầng khuếch đại thứ nối với chân số 10 13 IC 1C IC 1D, làm tín hiệu điện áp vào so sánh mạch so sánh cửa sổ Đặt điện áp ngưỡng DC VDC = 3.4V mà tín hiệu điện áp cần so sánh dao động quanh ngưỡng Điện áp PIR lúc chưa khuếch đại phát có chuyển động thể hay có nguồn nhiệt = lmV Độ nhạy tín hiệu ngõ mạch so sánh phụ thuộc ngưỡng so sánh có khoảng cách lớn hay nhỏ so xung quanh điện áp DC Đặt mức điện áp ngưỡng so sánh cửa sổ có biên độ điện áp ngưỡng ngưỡng 0.2V quanh VDC Khi tín hiệu điện áp vào chân số có biên độ dao động 0.2V ngưỡng trên, hay có biên độ điện áp lớn mức ngưỡng VI = 3.6V, điện áp chân số IC 1C IC LM324 có điện áp với điện áp nguồn cung cấp Vcc2, đồng thời tín hiệu điện áp vào so sánh có biên độ điện áp lớn 0.2V, hay biên độ điện áp ngưỡng Hoàng Thị Ai Ngọc 30 Cảm Biến Chuyển Động Ths Nguyễn Vãn Mai thấp V2 = 3.2V, điện áp chân 14 IC 1D IC LM324 với điện áp nguồn cung cấp Vcc2 Điện áp ngõ hai chân số’ 14 IC LM324 cho qua hai diode phân cực thuận tạo thành cổng OR Chỉ cần điện áp vào so sánh vượt qua ngưỡng so sánh phù hợp để đưa tín hiệu cho mạch sau hoạt động kích cho Relay đóng Do hai diode DI D2 phân cực thuận nên điện trở hai diode xem không đáng kể Điện áp rơi diode nhỏ (VD = 0.2V) V r DC = rD2 + i?8 -Vcc2 = 3.4 R I + rm + rD2 + R8 Vcc2 = 6.8V Do điện trở diode phân cực thuận khơng đáng kể nên ta bỏ qua điện trở diode » R8 6.8 = 3.4 R7 + R8 —» i?7 = i?8 Chọn R7 = R = 100KQ Điện áp ngưỡng V2 = V rb = VDC - VD = 3.2V Điện áp ngưỡng VI = VR8 + 2V d = V Hoàng Thị Ai Ngọc d c + V d = 3.6V 31 Cảm Biến Chuyển Động Ths Nguyễn Văn Mai Dạng sóng ngõ Dịng ngõ opam p LM324 Ỉ0LM324 = //A Mà ngõ mạch so sánh cửa sổ kết hợp hai Opamp -» dòng tổng cho ngõ mạch so sánh cửa sổ 2ỈQLM324 = 24 juA Trong dịng đưa vào ngõ vào cổng NOT trigger Schmitt IC CD40106 I40106 = 7.5 juA, không đáng kể -> thiết k ế chọn điện trở tải cho kéo dòng xuống thấp trước đưa đến ngõ vào cổng NOT R di = R * 6.8V * 412KQ 20//A-7.5//A Chọn R9 = 470KQ Hoàng Thị Ai Ngọc 32 Ths Nguyền Văn Mai Cảm Biến Chuyến Động Trễ