Trang 33
Sau khi học xong bài này, em sẽ:
Kể tên, mô tả được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số loại cảm biến thường được sử dụng trong ngôi nhà thông minh.
Hình 5.1
Hình 5.1 mô tả một người nông dân đang thực hiện việc chăm sóc cây trồng trong nhà kính. Em hãy cho biết trong nhà kính đó, những thiết bị gì đang được sử dụng. Những thông số môi trường nào đang được giám sát?
I – KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN
Cảm biến là thiết bị điện tử được sử dụng để biến đổi đại lượng vật lí cần đo thành tín hiệu điện. Trong ngôi nhà thông minh, hệ thống điều khiển chỉ có thể đưa ra các quyết định thích hợp nếu có thông tin đúng về môi trường hoạt động.
Ví dụ: Giả sử nhiệt độ mong muốn là 25 °C; căn cứ vào giá trị đo của cảm biến nhiệt độ, nếu nhiệt độ phòng thấp hơn 25 °C, điều hoà không khí sẽ hoạt động ở chế độ nóng để tăng nhiệt độ phòng; ngược lại, điều hoà không khí sẽ làm việc ở chế độ làm mát để giảm nhiệt độ phòng.
Một số loại cảm biến thông dụng trong ngôi nhà thông minh có thể kể đến là:
- Cảm biến nhiệt độ.
- Cảm biến độ ẩm.
- Cảm biến ánh sáng.
- Cảm biến phát hiện di chuyển.
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm được sử dụng trong các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm. Cảm biến ánh sáng được sử dụng trong thiết bị đo cường độ ánh sáng, thiết bị bảo khỏi, hoặc trong các thiết bị phát hiện di chuyển.
Trang 34
II – MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN
1. Cảm biến nhiệt độ
Có nhiều loại cảm biến để đo nhiệt độ dựa trên các nguyên lí hoạt động khác nhau như: cảm biến nhiệt điện trở, cảm biến cặp nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ dựa trên tiếp giáp p-n của chất bản dẫn,...
a) Cấu tạo
Hình 5.2 giới thiệu cấu tạo của một cảm biến nhiệt điện trở dạng hình đĩa, được làm từ các vật liệu là các oxit kim loại hoặc các chất bán dẫn.
Lớp bảo vệ
Điện cực
Đĩa gốm (cách điện)
Dây nối
Hình 5.2. Cấu tạo một cảm biến nhiệt điện trở hình đĩa
b) Nguyên lí làm việc của cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt điện trở hoạt động dựa trên nguyên lí khi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ. Hình 5.3 trình bày sơ đồ nguyên lí của mạch đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở. Khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm điện trở RT của cảm biến thay đổi. Do đó, với nguồn ổn áp E và điện trở R không thay đổi (hoặc thay đổi ít theo nhiệt độ) thì điện áp phân áp V sẽ thay đổi theo nhiệt độ. Bằng cách đo điện áp V sẽ tính được nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt điện trở RT
NHIỆT
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lí của mạch đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở
Thông tin bổ sung
Cảm biến nhiệt độ có thể được chế tạo dựa trên nguyên lí hoạt động của lớp tiếp giáp bán dẫn p-n một lớp tiếp giáp p-n của một diode hoạt động ở chế độ phân cực thuận với một nguồn dòng một chiều ổn định thì điện áp phân cực của diode sẽ thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của tiếp giáp p-n. Nếu biết thông số kĩ thuật của diode, dòng điện qua diode và điện áp phân cực thuận của diode thì ta có thể tính được nhiệt độ môi trường làm việc của diode. Hình 5.4 là sơ đồ nguyên lí của mạch đo nhiệt độ sử dụng diode. Nguồn dòng một chiều I cung cấp dòng điện qua diode không đổi, điện áp phân cực thuận của diode sẽ thay đổi theo nhiệt độ môi trường bên ngoài của diode. Bằng cách đo điện áp V sẽ tinh được nhiệt độ môi trường.
Hình 5.4. Sơ đồ nguyên lí của mạch đo nhiệt độ sử dụng diode
Trang 35
2. Cảm biến độ ẩm
a) Cấu tạo
Hình 5.5 thể hiện cấu tạo của cảm biến đo độ ẩm kiểu tụ điện:
– Gồm hai bản cực song song và chất điện môi ở giữa. Một bản cực được chế tạo dạng khe hở để cho hơi ẩm của không khí dễ dàng tiếp xúc với chất điện môi.
– Các cảm biến độ ẩm kiểu tụ điện dùng đề đo độ ẩm môi trường thường được chế tạo dạng vi cơ điện tử.
a) Cấu tạo cảm biến độ ẩm kiểu tụ điện
b) Cấu tạo của cảm biến
Không khí
Điện cực trên
Điện môi
Điện cực dưới
Hình 5.5. Cấu tạo của cảm biến độ ẩm kiểu tụ điện
b) Nguyên lí làm việc
Cảm biến đo độ ẩm tương đối (RH: relative humidity) được sử dụng để đo độ ẩm môi trường thường là các cảm biến dựa trên nguyên lí các giá trị đặc trưng của điện trở hoặc tụ điện thay đổi theo độ ẩm. Hình 5.6 trình bày sơ đồ nguyên lí của mạch đo độ ẩm dựa trên cảm biến đo độ ẩm là tụ điện. Tụ điện được chế tạo đề chất điện môi giữa các bản tụ có thể tiếp xúc với môi trường không khí cần đo độ ẩm. Khi độ ẩm của mỗi trường thay đổi, chất điện môi hấp thụ hơi nước sẽ làm cho tính chất của chất điện môi thay đổi dẫn đến giá trị điện dung của tụ điện thay đổi. Để đo sự thay đổi của giá trị điện dung của tụ điện, một mạch dao động được sử dụng mà tần số của mạch dao động phụ thuộc vào giá trị điện dung này. Bằng cách đo tần số của mạch dao động có thể tính được giá trị điện dung của tụ điện và từ đó tính được độ ẩm của không khí.
Cảm biến độ ẩm kiểu tụ điện
Mạch dao động
Mạch đo tần số
Hình 5.6. Sơ đồ nguyên li của mạch đo độ ẩm dựa trên cảm biến đo độ ẩm là tụ điện
Vận dụng
Tìm kiếm và liệt kê tên một số loại thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm có kết nối không dây.
Trang 36
Thông tin bổ sung
Thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà Để đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường trong nhà, các cảm biến thường được tích hợp trong một vi mạch và được sử dụng phổ biến trong các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm của ngôi nhà thông minh. Các thiết bị có chức năng hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm tại chỗ đồng thời có thể có chức năng kết nối đề truyền thông tin cho hệ thống điều khiển chung.
Hình 5.7. Thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà
3. Cảm biến ánh sáng
Có nhiều loại cảm biến ánh sáng như quang trở (photoresistor), diode quang (photodiode), transistor quang (phototransistor).... Bài này giới thiệu cảm biến quang trở.
a) Cấu tạo
Cấu tạo của cảm biến quang trở: Vật liệu chế tạo quang trở thường dùng là cadmium sulfide (CdS) hoặc cadmium selenide (CdSe). Khi có ánh sáng chiếu vào bề mặt các vật liệu này sẽ làm thay đổi điện trở của chúng.
Lớp phủ bảo vệ (ánh sáng có thể đi qua)
Điện cực 1
Điện cực 2
Đường vật liệu CdS Gốm
Chân quang trở
Hình 5.8. Cấu tạo của quang trở
b) Nguyên lí hoạt động của cảm biến quang trở
– Quang trở thường được chế tạo từ các chất bán dẫn. Khi có ánh sáng chiếu vào, khả năng dẫn điện của chất bán dẫn thay đổi (điện trở của quang trở thay đổi). Ánh sáng chiếu vào càng nhiều khả năng dẫn điện càng tăng, tương ứng điện trở của quang trở giảm. Thông thường cảm biến quang được dùng đề cường độ vùng ánh sáng nhìn thấy của mắt người. Được sử dụng trong các thiết bị đo cường độ sáng.
– Hình 5.9 trình bày sơ đồ nguyên lí của mạch đo cường độ sáng sử dụng cảm biến quang trở. Trong đó nguồn RL là quang trở, R là điện trở không phụ thuộc vào ánh sáng. Biết nguồn E, điện trở R và điện áp V sẽ tính được giá trị của RL. Từ đó sẽ tính được cường độ sáng.
Quang trở RL
Ánh sáng
Hình 5.9. Sơ đồ nguyên li của mạch đo cường độ sáng sử dụng quang trở
Khám phá
Quan sát Hình 5.9 và cho biết, cường độ ánh sáng tăng lên, hiệu điện thế giữa hai đầu quang trở sẽ thay đổi như thế nào.
Luyện tập
Đo cường độ sáng
Sử dụng một chiếc điện thoại thông minh. Hãy tìm kiếm trên "Apple Store" với điện thoại sử dụng hệ điều hành iOS, hoặc trên "Google Play" đối với điện thoại chạy hệ điều hành Android, phần mềm cho phép đo cường độ sáng. Cài đặt phần mềm và dùng nó để đo cường độ sáng ngoài trời, trong nhà, trong lớp học.
Trang 37
4. Cảm biến phát hiện chuyển động
Trong ngôi nhà thông minh, cảm biến phát hiện chuyển động thường được sử dụng để xác định xem có người đang ở trong phòng hay không để từ đó hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh điều chỉnh ánh sáng, điều hoà và một số thiết bị khác cho phù hợp.
Có nhiều loại cảm biến phát hiện chuyển động như cảm biến dựa trên nguyên lí cảm biến hoả điện (pyroelectric sensor), cảm biển vi sóng dựa trên hiệu ứng Doppler, hoặc cảm biến dựa trên camera với công nghệ thị giác máy tính.
a) Cấu tạo
Hình 5.10 trình bày cấu tạo của cảm biến phát hiện chuyển động dựa trên cảm biến hoả điện:
– Thường được chế tạo trong vỏ với ba chân linh kiện là chân nguồn cung cấp, chân điểm đất và chân đầu ra.
– Mặt trước của cảm biến có tấm kính lọc chỉ cho ánh sáng hồng ngoại đi qua. Ngoài ra cảm biến có thể có một ống kính Fresnel phía ngoài được sử dụng để tập trung ánh sáng vào vùng của cảm biến.
– Một số nhà sản xuất có thể tích hợp thêm các mạch điện tử để tạo thành mô đun cảm biến phát hiện di chuyền với các đầu ra đã được chuẩn hoá thành tín hiệu logic đề báo trạng thái khi có người di chuyển trong vùng của cảm biến.
Kính Fresnel
Ánh sáng hồng ngoại
Tiêu cự
Cảm biến hoà điện
Kính lọc
Hình 5.10. Cấu tạo cảm biến phát hiện chuyển động dựa trên cảm biến hoả điện
b) Nguyên lí hoạt động
Nguyên lí và hoạt động cảm biến phát hiện chuyển động dựa trên cảm biến hoả điện:
– Cảm biến hoả điện: là một loại cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR: passive infrared) dựa trên hiệu ứng hoả điện. Có một số vật liệu có tính chất khi có sự thay đổi nhiệt độ sẽ tạo
ra sự thay đổi điện tích tại bề mặt của vật liệu, từ đó tạo ra một hiệu điện thế giữa hai điện cực tại hai mặt của vật liệu. Khi nhiệt độ ổn định hiệu điện thế này sẽ mất đi. Do đó khi một vật thể bức xạ nhiệt (ánh sáng hồng ngoại) ở trong vùng thu nhận được của cảm biến, ánh sáng hồng ngoại sẽ tác động lên cảm biến làm nhiệt độ của cảm biến thay đổi, từ đó tạo ra điện áp tại hai điện cực của cảm biến.
– Hình 5.11 trình bày sơ đồ nguyên lí của mạch cảm biến phát hiện chuyển động dựa trên hai cảm biến hoả điện. Khi có vật thể bức xạ nhiệt di chuyển, ánh sáng hồng ngoại sẽ lần
lượt đi qua hai cảm biến hoả điện (thường phải sử dụng thêm một kính chắn phía trước
Trang 38
hai cảm biến để làm điều này) khi đó sẽ tạo ra tín hiệu điện áp vi sai tại hai đầu cảm biến. Mạch khuếch đại sử dụng transistor JFET được sử dụng để phối hợp trở kháng, cho phép tín hiệu Vout nối với các mạch điện tử sau nó.
(chuyển động)
Ánh sáng (hồng ngoại)
Mạch khuếch đại
V
JFET
Vout
Hình 5.11. Sơ đồ nguyên li của mạch cảm biến phát hiện chuyển động dựa trên cảm biến hoả điện
Thông tin bổ sung
Sử dụng cảm biến phát hiện chuyển động để tắt bật đèn
Thiết bị:
– Mô đun cảm biến phát hiện chuyển động loại hồng ngoại thụ động.
– Đồng hồ vạn năng, có chức năng đo điện trở.
– Nguồn một chiều để cung cấp cho mô đun cảm biến.
– Diode phát quang LED, điện trở.
Hình 5.12. Sơ đồ ghép nối mạch cảm biến và LED
Các bước thực hiện:
Nguồn một chiều cung cấp cho mạch cảm biến và mạch LED. Khi có người chuyển động trong vùng giám sát của cảm biến, đầu ra cảm biến sẽ có mức điện áp cao, cấp nguồn cho đèn LED làm cho LED phát sáng. Khi không có người chuyển động trong vùng giám sát của cảm biến, đầu ra của cảm biến ở mức thấp, LED không sáng.
Vận dụng
Hãy quan sát ngôi nhà của mình, đề xuất ý tưởng sử dụng các cảm biến và mạch điều khiển để làm cho ngôi nhà của em trở lên thông minh hơn.
