Nghiên cứu về các loại cảm biến và ứng dụng trong thực tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Báo Cáo ĐỀ TÀI: Nghiên cứu loại cảm biến ứng dụng thực tế Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Lân Sinh viên thực : Trần Anh Tài _ 19146383 Chau Qui _ 19146379 Trần Đào Hoài Bảo _ 19146306 TP.HCM, Năm 2021 I Giới thiệu cảm biến siêu âm HC – SR04 Thế cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm thiết bị cảm biến hoạt động dựa sóng siêu âm Cũng giống loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm dùng chủ yếu để đo khoảng cách vận tốc Ngoài cịn sử dụng ứng dụng làm sóng siêu âm dùng siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đốn hình ảnh) Cảm biến HC-SR04 siêu âm Cấu tạo cảm biến HC-SR04 Cấu tạo cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm phần: Bộ phận phát sóng siêu âm Cấu tạo đầu phát đầu thu siêu âm loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao tần số thường 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách Phát sóng cảm biến siêu âm HC-SR04 Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ Thiết bị thu dạng loa gốm có cấu tạo nhạy với tần số chẳng hạn 40KHz Qua loạt linh kiện OPAM TL072, transistor NPN…Tín hiệu liên tục khuếch đại biên độ cuối đưa qua so sánh, kết hợp với tín hiệu từ điều khiển để đưa điều khiển Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu Vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính tốn thời gian từ phát đến thu sóng siêu âm nhận tín hiệu TRIG Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04 Cảm biến siêu âm hoạt động dựa nguyên lý phát sóng phản xạ sóng Nguyên lý tương tự lồi dơi Khi tìm mồi đêm, dơi thường phát dạng sóng siêu âm sóng siêu âm gặp vật cản phản xạ lại sóng giúp dơi xác định chướng ngại vật trước mặt Đối với cảm biến siêu âm vậy; ta cấp nguồn hoạt động, cảm biến phát chùm sóng siêu âm liên tục Khi chùm sóng chạm đến bề mặt vật cản phản xạ ngược lại cảm biến Lúc cảm biến thu lại chùm sóng tính toán khoảng cách từ cảm biến đến vật cản dựa thời gian phản xạ vận tốc sóng Để đo khoảng cách cảm biến siêu âm HC-SR04, ta phát xung ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Tiếp theo, xung HIGH chân Echo cảm biến tạo phát nhận lại sóng phản xạ chân Lúc này, độ rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biến phản xạ lại Trong khơng khí, tốc độ âm đạt mức 340 m/s (hằng số), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)) Nguyên lý hoạt động HC-SR04 Biểu đồ thời gian HC-SR04 Thông số kỹ thuật  Model: HC-SR04  Điện áp làm việc: 5VDC  Dòng điện: 15mA  Tần số: 40 KHZ  Khoảng cách phát hiện: 2cm – 4m  Tín hiệu đầu ra: Xung mức cao 5V, mức thấp 0V  Góc cảm biến: Khơng q 15 độ  Độ xác cao: Lên đến 3mm  Chế độ kết nối: VCC / Trig (T-Trigger) / Echo (R-Receive) / GND Sơ đồ xử lý tín hiệu Sơ kết đồ mạch nối Arduino Ứng dụng cảm biến siêu âm thực tế  Cảm biến siêu âm đo khoảng cách  Cảm biến siêu âm đo mức nước  Cảm biến siêu âm phát vật cản:  Cảm biến siêu âm công nghiệp: II Giới thiệu cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1 Thế cảm biến ánh sáng Cảm biến ánh sáng thiết bị thụ động chuyển đổi “năng lượng ánh sáng” cho dù nhìn thấy phần hồng ngoại quang phổ thành tín hiệu điện Cảm biến ánh sáng thiết bị cảm biến thơng minh có khả nhận biết biến đổi môi trường thông qua mắt cảm biến để kịp thời điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp Cảm biến nhận biết ánh sáng điều chỉnh thay đổi dựa đi-ốt quang học Các loại cảm biến ánh sáng a Photoresistors (LDR) Loại cảm biến ánh sáng phổ biến sử dụng mạch cảm biến ánh sáng chất cảm quang, gọi điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) Chất phát quang sử dụng để đơn giản phát xem đèn bật hay tắt so sánh mức độ ánh sáng tương đối suốt ngày Photoresistors (LDR) b Photoresistors (LDR) Photodiodes loại cảm biến ánh sáng khác, thay sử dụng thay đổi điện trở LDR, dễ dàng thay đổi ánh sáng thành dòng điện Photodiodes hoạt động nguyên lý làm việc gọi hiệu ứng quang điện bên Nói cách đơn giản, chùm ánh sáng chiếu vào, electron bị nới lỏng, gây lỗ electron dẫn đến dòng điện chạy qua Ánh sáng lớn, dòng điện mạnh c Phototransistors Loại cảm biến ánh sáng cuối khám phá hôm phototransistor Cảm biến ánh sáng phototransistor mô tả khuếch đại photodiode Với khuếch đại thêm vào, độ nhạy sáng tốt nhiều phototransistors Cấu tạo cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1 Quang trở DLR Quang điện trở (LDR- Light dependent resistor) hay điện trở quang linh kiện điện tử có điện trở phụ thuộc ánh sáng chiếu vào Đây linh kiện điện tử nhạy cảm với ánh sáng Khi ánh sáng chiếu vào nó, điện trở thay đổi Giá trị điện trở LDR giảm mức độ ánh sáng tăng lên ngược lại Quang trở LDR Biến trở Biến trở thiết bị có điện trở biến đổi theo ý muốn Chúng sử dụng mạch điện để điều chỉnh hoạt động mạch điện Điện trở thiết bị thay đổi cách thay đổi chiều dài dây dẫn điện thiết bị, tác động khác nhiệt độ thay đổi, ánh sáng xạ điện từ, Biến trở Transistor Transistor hay gọi tranzito loại linh kiện bán dẫn chủ động, chúng thường sử dụng phần tử khuếch đại khóa điện tử Transistor nằm khối đơn vị tạo thành cấu trúc mạch máy tính điện tử tất thiết bị điện tử đại khác Vì đáp ứng nhanh xác nên transistor sử dụng nhiều ứng dụng tương tự số, khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, tạo dao động Transistor kết hợp thành mạch tích hợp (IC), tích hợp tới tỷ transistor diện tích nhỏ *Ngồi cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1 cịn tích hợp IC LM393 để xử lý tín hiệu IC LM393 Cấu tạo cảm biến ánh sáng quang trở CDS_NVZ1 Nguyên lý hoạt động Khi vào buổi tối tắt đèn khơng có ánh sáng chiếu vào quang trở, điện trở LDR tăng, dòng IB nhỏ, VBE(Q1) < 0.7, Q1 khơng dẫn, điện áp đầu vào không qua cực CE Q1 mà qua điện trở R1 vào cực B Q2, VBE(2) > 0.7, Q2 dẫn, điện áp đầu vào qua R2 qua led làm led sáng chạy vào cực E nối mass Q2 Kết luận: Khi ánh sáng đèn led tự động sáng Khi có ánh từ bền chiếu vào quang trở, điện trở LDR giảm, dịng IB lớn, VBE(Q1)>0.7, Q1 dẫn, điện áp đầu vào qua R1 qua cực CE Q1, dẫn đến VBE(Q2) < 0.7, Q2 đóng, khơng có dịng qua led, led tắt Kết luận: Khi có ánh sáng Led tắt Mạch nguyên lý hoạt động cảm biến ánh sáng Thông số kỹ thuật        Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 6v VCC: Nối nguồn 3.3 ~6V GND: Nối Mass 0V Chế độ hoạt động: LED sáng trời tối Tín hiệu ra: Digital Nhiệt độ hoạt động: < 80 oC Kích thước: 3cm x 1.6cm Sơ đồ xử lý tín hiệu Sơ đồ mạch kết nối Arduino Ứng dụng cảm biến siêu âm thực tế      Ứng dụng dùng để bật tắt đèn chiếu sáng công cộng Ứng dụng dùng bật tắt đèn hành lang Ứng dụng dùng để bật tắt sân thượng Ứng dụng dùng để bật tắt sân vườn Và số ứng dụng khác: bảng hiệu, bảng quảng cáo… Ứng dụng cảm biến bật tắt đèn giao thông sân vườn Điều khiển Led bể cá CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20 I Giới thiệu Cảm biến nhiệt độ gì? Cảm biến nhiệt độ là cảm biến sử dụng để đo nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cảm biến đưa dạng tín hiệu mà từ tín hiệu đọc đọc v quy nhiệt độ Với loại cảm biến sẻ có dạng tín hiệu khác Có loại đưa tín hiệu điện trở, gọi nhiệt điện trở có tên gọi khác RTD Thơng thường cảm biến Pt100, Pt1000, Pt50, CU50 Có loại đưa tín hiệu mV gọi cặp nhiệt có hai dây tín hiệu Thơng thường cảm biến K, R, S, B, T, E CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20 Giới thiệu cảm biến nhiệt độ DS18B20 a) Thông số kĩ thuật DS18B20 nhiệt kế số có độ phân giải 9-12 bit giao tiếp với điều khiển trung tâm thông qua dây (1 wire communication)  Nếu cấu hình, cho DS18B20 theo 9,10,11,12 bit ta có độ xác tương ứng là: 0.5°C 0.25°C ,0.125°C, 0.0625°C (Theo mặc định nhà sản xuất khơng cấu hình chế độ chuyển đổi tự cấu hình 12 bit) DS18B20 hoạt động với điện áp từ 3V-5,5V, cấp nguồn thông qua chân DQ- chân trao đổi liệu DS18B20 đo nhiệt độ tầm -55 – 1250C với độ xác (+ - 0,50C) Mỗi DS18B20 có serial code 64 bit nhất, điều cho phép kết nối nhiều IC đương Bus b) Chuẩn wire có đă ̣c điểm sau - Chỉ có master hệ thống - Gía thành thấp - Tốc độ đạt tối đa là16kbps - Khoảng cách truyền xa 300m - Lượng thông tin trao đổi nhỏ Cấu tạo cảm biến nhiệt độ DS18B20 a) Sơ đồ chân b) Các ghi dữ liêụ Mỗi IC DS18B20 có mã 64 bit riêng biệt gồm: bit Family code, bit serial code bit CRC code lưu ROM.Các giá trị giúp phân biệt IC với bus Giá trị Family code DS18B20 28H giá trị CRC kết q trình kiểm tra 56 bit trước Tổ chức nhớ Scratchpad: Bộ nhớ DS18B20 gồm ghi bits Bảng tổ chức nhớ DS18B20 - Byte lưu giá trị nhiệt độ chuyển đổi - Byte lưu giá trị ngương nhiệt độ Giá trị lưu điện - Byte la ghi cấu hình cho hoạt đông DS18B20 - Byte 5,6 không sử dụng - Byte ghi đọc lưu giá trị CRC từ byte đến - Dữ liệu byte 2,3,4 ghi thông qua lệnh Write Scratchpad[4Eh] dư liệu chuyển đến DS18B20 bit LSB byte 2, sau ghi liệu đọc thông qua lệnh Read Scratchpad[BEh], đọc Scratchpad bit LSB byte gửi trước tất byte đọc, ghi byte Để chuyển giá trị TH TL vào EEPROM cần gửi lệnh copy Scratchpat [48] đến DS1820 Và liệu từ EEPROM chuyển vào ghi TH, TL thông qua lệnh Recall E2 [B8h] 4) Nguyên lý hoạt đô ̣ng Bên DS18B20 có chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang giá trị số lưu ghi nhớ scratchpad Độ phân giải nhiệt độ đo cấu hình chế độ bits,10 bits,11 bits,12 bits Ơr chế độ mặc định DS18B20 hoạt động độ phân giải 12bits Để bắt đầu trình đọc nhiêt độ, chuyển đổi từ giá trị tương tự sang giá trị số vi điều khiển gửi lệnh Convert T [44h], sau chuyển đổi xong giá trị nhiệt độ lưu ghi nhiệt độ nhớ scratchpad IC trở trang thái nghỉ Mã nhị phân lục phân tương ứng nhiệt độ Nhiệt độ sau lưu ghi nhớ so sánh với ghi ngưỡng nhiệt độ TH TL Các giá trị ngưỡng nhiệt độ người dung quy định, khơng thay đổi điện Như có phần nguyên, bit 11-4 giá trị nhiệt độ so sánh với ghi ngưỡng Nếu giá trị nhiệt độ đọc nhỏ mức TL lớn mức TH cờ báo q nhiệt bật lên, thay đổi trình đọc nhiệt độ Vi điều khiển kiểm tra trạng thái nhiệt lệnh Alarm Search[ECh] 5) Sơ đồ kết nối a) Linh kiêṇ -Arduino UNO - Breakboard - cảm biến DS18B20 -1 điê ̣n trở 470 KΩ b) sơ đồ 6) sơ đồ xử lý tín hiêụ Ứng dụng - Cảm biến nhiê ̣t đô ̣ điều chỉnh nhiê ̣t đô ̣ phòng(công tắc nhiê ̣t đô ̣) - Đo nhiê ̣t đô ̣ môi trường - Cảm biến nhiê ̣t đô ̣ làm mát hoạt đô ̣ng ... kết nối a) Linh kiêṇ -Arduino UNO - Breakboard - cảm biến DS18B20 -1 điê ̣n trở 470 KΩ b) sơ đồ 6) sơ đồ xử lý tín hiêụ Ứng dụng - Cảm biến nhiê ̣t đô ̣ điều chỉnh nhiê ̣t đô ̣... truyền xa 300m - Lượng thông tin trao đổi nhỏ Cấu tạo cảm biến nhiệt độ DS18B20 a) Sơ đồ chân b) Các ghi dữ liêụ Mỗi IC DS18B20 có mã 64 bit riêng biệt gồm: bit Family code, bit serial code... sóng phản xạ chân Lúc này, độ rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biến phản xạ lại Trong khơng khí, tốc độ âm đạt mức 340 m/s (hằng số), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106