Khóa luận Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR

Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 1 LỜI CAM ĐOAN Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã giúp con người chúng ta rất nhiều. Với việc thiết kế các hệ thống tự động sẽ giúp ít con người nhiều hơn trong công việc hằng ngày. Vì vậy em chọn đề tài này để làm niên luận cho mình. Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và thành quả của em đạt được dưới sự giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn là thầy Dương Thái Bình. Em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo niên luận này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào. Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường. Cần Thơ, ngày 11 tháng 11 năm 2011 Sinh viên thực hiện Đặng Vũ Minh Dũng Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 2 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ............................................................................................................................................. 3 TỔNG QUAN ............................................................................................................................................ 3 1. ĐẶT VẤN ĐỀ TÀI ........................................................................................................................ 3 2. MỤC ĐÍCH VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT ....................................................................................... 3 2.1 Mục đích .....................................................................................................................3 2.2 Hướng giải quyết ......................................................................................................3 CHƯƠNG 2: ............................................................................................................................................. 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................................................ 4 1. TÌM HIỂU CẤU TẠO CỦA MODULE CẢM BIẾN PIR ............................................................... 4 1.1. Tìm hiểu về cảm biến PIR .......................................................................................4 1.2. Cấu tạo của cảm biến PIR .......................................................................................4 1.3. Tìm hiểu module cảm biến PIR ..............................................................................7 1.4. Cấu tạo chung và mạch nguyên lý của module cảm biến PIR ........................8 1.5. Thiết bị hội tụ tia nhiệt cho module cảm biến PIR ........................................... 10 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MODULE CẢM BIẾN PIR ................................................. 11 2.1. Môi trường hoạt động của cảm biến PIR ........................................................... 11 2.2. Nguyên tắc hoạt động của module cảm biến PIR ............................................ 11 2.3. Các thông số cơ bản của module cảm biến PIR .............................................. 14 3. MẠCH ĐIỆN ỨNG DỤNG VỚI CẢM BIẾN PIR ....................................................................... 15 3.1. Ghép nối module cảm biến PIR với relay .......................................................... 15 3.2. Ghép nối module cảm biến PIR với transistor.................................................. 16 3.3. Ghép nối với các họ vi điều khiển....................................................................... 17 4. MỘT SỐ YÊU CẦU KHI SỬ DỤNG .......................................................................................... 18 CHƯƠNG 3: ........................................................................................................................................... 18 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU............................................................................................. 18 1. CÁC ỨNG DỤNG TRONG CUỘC SỐNG HẰNG NGÀY CỦA MODULE CẢM BIẾN PIR .. 18 2. PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG ỨNG DỤNG ............................................................................ 18 2.1 Hệ thống chiếu sáng tự động .............................................................................. 18 2.2 Hệ thống điều khiển quạt tự động ...................................................................... 19 2.3 Hệ thống camera quan sát tự động .................................................................... 19 2.4 Hệ thống chống trộm đơn giản ........................................................................... 19 2.5 Các hệ thống kết hợp ứng dụng khác................................................................ 20 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ............................................................................................................... 20 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................................................................... 21 1. KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 21 2. ĐỀ NGHỊ ...................................................................................................................................... 21 PHỤ LỤC A: RELAY .............................................................................................................................. 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................................... 23 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. ĐẶT VẤN ĐỀ TÀI Cuộc sống của chúng ta tồn tại cùng lúc với nhiều thực thể vật lý, những thứ chúng ta nhận biết được như là các vận động cơ học, tác dụng của nhiệt, của ánh sáng, của âm thanh, mùi vị,.... Nhằm mục đích giúp con người nhận biết rõ hơn các vận động trên cũng như nghiên cứu ra các thiết bị giúp ích cho con người trong cuộc sống, người ta đã nghiên cứu ra các loại cảm biến (Sensor). Cảm biến (Sensor) là thiết bị điện tử cảm nhận những thay đổi từ môi trường bên ngoài và biến đổi thành các tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị khác. Ngày nay có rất nhiều loại cảm biến (Sensor) đã được tạo ra, như cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại,.... Trong niên luận này sẽ khảo sát và tìm hiểu loại sensor dùng phát hiện các vật thể nóng có chuyển động ngang, quen gọi là PIR motion detector. Yêu cầu đặt ra: nghiên cứu khảo sát và tìm hiểu các ứng dụng của module cảm biến PIR. 2. MỤC ĐÍCH VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT 2.1 Mục đích Việc nghiên cứu và khảo sát ứng dụng của Module PIR sẽ giúp chúng ta tạo ra các ứng dụng của nó vào cuộc sống hằng ngày, nhằm giúp ích cho con người! Với module cảm biến PIR chúng ta sẽ tạo thành các công tắc tự động thông minh, giúp tự động hóa các thiết bị gia đình và có thể xây dựng các hệ thống thông minh hữu ích. 2.2 Hướng giải quyết Tìm hiểu về cấu tạo và công dụng của module cảm biến PIR, xây dựng các mạch điện ứng dụng sử dụng cùng với module cảm biến PIR. Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. TÌM HIỂU CẤU TẠO CỦA MODULE CẢM BIẾN PIR 1.1. Tìm hiểu về cảm biến PIR PIR là viết tắt của chữ Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại . Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể có nhiệt độ. Trong các cơ thể sống như con người chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn nhiệt phát ra từ bên ngoài, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người, con vật... Hình 1 1.2. Cấu tạo của cảm biến PIR Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 5 Hình 2 Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ li ti, nhiệt là một dạng năng lượng tạo ra từ các xao động của các phân tử, đó là các chuyển động hỗn loạn, không trật tự. Từ các xao động này, nó phát ra các tia nhiệt, bằng cảm giác thông thường của giác quan, con người chúng ta nói đó là sức nóng. Ở mỗi người nguồn thân nhiệt thường ổn định ở mức 37 độ C, đó là nguồn nhiệt mà ai cũng có và nếu dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, chúng ta sẽ có thiết bị phát hiện ra các vật thể phát ra tia nhiệt, đó chính là ý tưởng mà người ta chế ra thiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động. Dựa vào ý tưởng trên người ta dùng vật liệu pyroelectric để làm cảm biến dò tia nhiệt, người ta kẹp vật liệu pyroelectric giữa 2 bản cực, khi có tác kích của các tia nhiệt, trên hai 2 bản cực sẽ xuất hiệu tín hiệu điện và dùng tín hiệu điện này để tạo ra các ứng dụng, do tín hiệu yếu nên cần mạch khuếch đại tín hiệu. (Hình 3) Hình 3 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 6 Từ nguyên tắc trên người ta tạo ra cảm biến PIR bằng cách gắn 2 cảm ứng pyroelectric tia nhiệt nằm ngang và được nối vào cực Gate của một transistor FET để khuếch đại tín hiệu điện, có 3 ngõ ra, chân 1 (Drain) nối nguồn Vcc, chân 2 (Source) tín hiệu output ngõ ra của cảm biến, chân 3 (Ground) nối mass. Ngoài ra phía trên 2 cảm ứng pyroelectric tia nhiệt người ta gắn thêm một tấm kính để lọc lấy tia nhiệt (tia hồng ngoại). Và có dạng như (Hình 4). Hình 4 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 7 1.3. Tìm hiểu module cảm biến PIR Hình 5 Hình 6 Phía trên (Hình 5 và Hình 6) là hình ảnh của 1 module cảm biến PIR. Module cảm biến PIR này là một mạch điện được tích hợp bao gồm cảm biến PIR các mạch chức năng như mạch khuếch đại, mạch so sánh và mạch đình thời tất cả các khối được thiết kế thành một mạch hoàn chỉnh. Mạch có 3 chân để kết nối gồm một chân nối nguồn, một chân nối mass và một chân output tín hiệu ngõ ra. Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 8 1.4. Cấu tạo chung và mạch nguyên lý của module cảm biến PIR Hình 7 Cấu tạo của module cảm biến PIR gồm các khối: cảm biến PIR, khối khuếch đại tín hiệu, khối so sánh, khối định thời delay và tín hiệu được đưa ra công tắt tự động để điều khiển các thiết bị khác. Được mô tả hình dưới đây: Hình 8 Hình 8 Người ta đã thiết kế ra một loại IC được tích hợp tất cả các khối trên vào đó, IC có tên là BISS0001. IC BISS0001 có 16 chân và có hình dạng như (Hình 9) Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 9 Hình 9 Đây là bảng chức năng của từng chân IC BISS0001 (Hình 10) Hình 10 Cấu tạo bên trong IC BISS0001 (Hình 11) Hình 11 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 10 Sơ đồ tương đương của module cảm biến PIR (Hình 12) Hình 12 Đây là mạch điện của module cảm biến PIR (Hình 12) bao gồm có ngõ vào là cảm biến PIR, qua khối xử lí BISS0001 và được tín hiệu ngõ ra Output, tín hiệu ngõ ra này được biến thành tín hiệu số có thể giao tiếp với các thiết bị số khác. Mạch trên ngõ ra được mắc thêm cảm khối công tắc transistor và relay 12Volt. 1.5. Thiết bị hội tụ tia nhiệt cho module cảm biến PIR Các tia nhiệt phát ra từ các vật thể sống rất yếu và rất phân tán, để tăng độ rộng cho đầu dò cũng như hội tụ các tia nhiệt lại đúng vào vị trí của cảm biến PIR, người ta dùng kính Fresnel (Hình 13 ) để chụp lên đầu cảm biến PIR. Đồng thời cũng giúp cho cảm biến tránh được các tia tử ngoài từ môi trường bên ngoài chiểu vào đầu cảm biến. Hinh 13 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 11 Hình ảnh kính Fresnel hội tụ các tia nhiệt vào vị trí của cảm biến PIR (Hình 14) Hình 14 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MODULE CẢM BIẾN PIR 2.1. Môi trường hoạt động của cảm biến PIR Cảm biến PIR chỉ hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -30 độ C đến 70 độ C. Có nghĩa là cảm biến chỉ làm việc được trong khoảng nhiệt độ trên, các tia nhiệt phát ra từ các vật thể phải nằm trong khoảng nhiệt đọ trên. 2.2. Nguyên tắc hoạt động của module cảm biến PIR Nguyên lý chung: module cảm biến PIR hoạt động dựa trên nguyên lí cảm ứng các tia nhiệt của các vật thể sống phát ra, khi cảm biến pyroelectric thứ nhất nhận được tia nhiệt, nó sẽ phát ra tín hiệu và khi nguồn nóng di chuyển ngang, sẽ đến cảm biến pyroelectric thứ hai và cảm biến pyroelectric 2 nhận được tia nhiệt và nó lại phát ra tín hiệu điện. Sự xuất hiện của 2 tín hiệu này nhận biết rằng đã có một nguồn nhiệt di động ngang và mạch điện tử sẽ phát ra tín hiệu điều khiển. Nguyên tắc hoạt động: Ở trạng thái thường trực khi chưa có tia nhiệt di chuyển vào đầu dò của cảm biến thì tín hiệu đang ở mức 0, và mạch không hoạt động. Khi có một vật chuyển động vào đầu dò nhiệt PIR thì các tia nhiệt từ vật thể đó phát ra sẽ đi qua thấu kính Fresnel các tia nhiệt này sẽ hội tụ vào đầu dò PIR, khi mới vào vùng dò của cảm biến thì các tia nhiệt này chỉ hội tụ vào cảm biến pyroelectric Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 12 thứ 1, thì mức 0 của cảm biến thứ nhất sẽ lên 1, kế đến trong khoảng thời gian rất nhỏ vật sẽ di chuyển ngang qua tới cảm biến pyroelectric thứ 2 cũng tương tự như cảm biến thứ nhất nó sẽ chuyển từ mức 0 lên mức 1 cả 2 tín hiệu này sẽ qua 1 một bộ khuếch đại thứ nhất là FET, kế đến tín hiệu ngõ ra của cảm biến PIR ở chân 2 (Source) sẽ vào một mạch khuếch đại nữa, mạch khuếch đại này sẽ khuếch đại tín hiệu lên mức cần thiết theo theo thiết kế sẵn của nhà sản xuất, kế đến tín hiệu này sẽ đến một mạch so sánh để xuất ra tín hiệu chuẩn kỹ thuật số mức 1 tức là mạch đang hoạt động, ngược lại ở mức 0 mạch không hoạt động. Trong thực tế vật phát ra tia hồng ngoại có thể di chuyển nhanh, chậm hoặc có thể đứng yên trong vùng quét của cảm ứng, vì thế ta cần mạch làm trễ tín hiệu lâu hơn so với tín hiệu nhận được trong thực tế để ta có thể điều chỉnh thiết bị hoạt động trong khoản thời gian mà chúng ta mong muốn. từ đây tín hiệu của module cảm biến được đưa ra ngoài để kết nối với các thiết bị khác. Chúng ta sẽ xem hoạt động của mạch qua các hình mô tả dưới đây: Với hình bóng đèn là tín hiệu output của module PIR, đèn tắt là mức 0, đèn sáng là mức 1, hình cảm biến PIR với 2 bảng pyroelectric lúc đầu sẽ là màu lợt khi chưa có vật di chuyển vào vùng phát hiện tín hiệu là 1 đường thẳng (Hình 15). Tiếp đến vật thể di chuyển vào vùng ảnh hưởng 1 tín hiệu bắt đầu xuất hiện, hình cảm biến PIR bảng pyroelectric 1 đậm lên nhưng ngõ ra của PIR là hình bóng đèn vẫn tắt (Hình 16). Khi vật thể đi vào vùng ảnh hưởng thứ 2 thì tín hiệu hình cảm biến PIR của bảng pyroelectric 1 sẽ lợt đi, bảng 2 đậm lên tín hiệu xuất hiện ở bảng 2, hình bóng đèn sáng lên, tín hiệu output của module PIR lúc này là 1 (Hình 17). Khi vật thể đi qua khỏi vùng ảnh hưởng 2 thì tín hiệu đã trở về 0 nhưng đèn vẫn còn sáng vì lúc này mạch delay vẫn duy trùy tín hiệu ngõ ra của module PIR ở mức 1 (Hình 18). Đến một thời gian cài đặt trước nhất định nào đó thì đèn sẽ tắt, tín hiệu sẽ trở về 0, mạch ở trạng thái thường trực (Hình 19). Hình 15 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 13 Hình 16 Hình 17 Hình 18 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 14 Hình 19 2.3. Các thông số cơ bản của module cảm biến PIR Dưới đậy là thông số kỹ thuật của nhà sản xuất cung cấp cho module cảm biến PIR. Độ rộng vùng quét của cảm biến PIR (Hình 20) Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 15 Hình 20 3. MẠCH ĐIỆN ỨNG DỤNG VỚI CẢM BIẾN PIR Module cảm biến PIR nó hoạt động giống như một cảm biến PIR và chỉ có 1 ngõ ra output thôi vì thế chúng ta cần ghép nối với các thiết bị khác mới có thể điều khiển các thiết bị hoạt động. Dưới đây sẽ giới thiệu một số linh kiện và cách ghép nối. 3.1. Ghép nối module cảm biến PIR với relay Dưới đây là mạch nguyên lý về cách ghép nối với relay Hình 22, Hình 23, Hình 24. Các mạch này hoạt động dựa trên sự bật tắt của relay, khi tín hiệu của module PIR là mức1 thì lúc đó relay hoạt động, khi tín hiệu là mức 0 thì relay ngừng hoạt động. từ relay chúng ta sẽ mắc với các thiết bị khác để điều khiển hoạt động. Phương pháp này dùng để điều khiển các thiết bị như đèn và chuông báo động. Hình 22 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 16 Hình 23 3.2. Ghép nối module cảm biến PIR với transistor Các mạch này hoạt động dựa trên sự phân cực bảo hòa của transistor, lúc này transistor đóng vai trò như 1 công tắc đóng mở. Hình 24, Hình 25 Hình 24 Hình 25 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 17 3.3. Ghép nối với các họ vi điều khiển Dưới đây là các hình ảnh module PIR giao tiếp với vi điều khiển, mạch hoạt động dựa trên sự điều khiển của các họ vi điều khiển được lập trình bởi người sử dụng. Hình 26, Hình 27. Hình 26 Hình 27 Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 18 4. MỘT SỐ YÊU CẦU KHI SỬ DỤNG Khi sử dụng module cảm biến PIR, cần lưu ý một số đặc điểm sau: - Phải xem môi trường hoạt động của cảm biến có nằm trong giới hạn nhiệt độ cho phép không. Vì ngoài khoảng giới hạn đó có thể làm hư cảm biến. - Phải xem nguồn sử dụng có đúng như giới hạn của nhà sản xuất không, nếu vượt quá cũng có thể làm hỏng cảm biến. - Ngoài ra xem các thiết bị ghép nối chung với module cảm biến PIR có thể đáp ứng kịp không. Tóm lại khi dùng module PIR thì nên xem các thông số kỹ thuật của nhà sản suất. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. CÁC ỨNG DỤNG TRONG CUỘC SỐNG HẰNG NGÀY CỦA MODULE CẢM BIẾN PIR Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta có rất nhiều thiết bị hoạt động với các phương pháp bật tắt thủ công. Qua tìm hiểu và khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR nhận thấy rằng khi kết hợp với các thiết bị ghép nối như relay, transistor, vi điều khiển thì có rất nhiều ứng dụng có ích cho cuộc sống hằng ngày như: - Hệ thống chiếu sáng tự động trong các tòa nhà văn phòng - Hệ thống điều khiển quạt tự động trong các tòa tòa nhà văn phòng - Hệ thống camera quan sát tự động - Hệ thống chống trộm đơn giản - Các hệ thống kết hợp ứng dụng khác 2. CÁC HỆ THỐNG ỨNG DỤNG CỦA MODULE CẢM BIẾN PIR 2.1 Hệ thống chiếu sáng tự động Hình 28. Hệ thống chiếu sáng tự động Module cảm biến PIR Mạch Relay Thiết bị đèn chiếu sáng Niên Luận 1: Khảo sát ứng dụng module cảm biến PIR SV: ĐẶNG VŨ MINH DŨNG MSSV:1090915 GVHD: DƯƠNG THÁI BÌNH Trang 19 Hệ thống bao gồm 3 phần: module cảm biến