Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA BÁO CÁO CẢM BIẾN CHUYỂN NĂNG Đề tài Cảnh báo va chạm sử dụng cảm biến HC SR04 Giảng viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Văn Mướt Học phần Cảm biến và chuyển năng CT378
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA ….… BÁO CÁO CẢM BIẾN CHUYỂN NĂNG Đề tài: Cảnh báo va chạm sử dụng cảm biến HC-SR04 Giảng viên hướng dẫn : Thầy Nguyễn Văn Mướt Học phần : Cảm biến chuyển năng_CT378 Nhóm : 08 Sinh viên thực : Nguyễn Nhật Linh B2012513 Nguyễn Mạnh Hà B2012497 Nguyễn Quốc Bảo B2012416 Trương Huỳnh Đức B2004127 Cần thơ: 04/2023 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ LỜI CẢM ƠN “Để hoàn thành Bài báo cáo học phần này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Thầy Nguyễn Văn Mướt tận tình hướng dẫn, góp ý kiến để em hồn thành báo cáo Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm báo cáo hạn chế kiến thức, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận nhận xét, đóng góp ý kiến từ phía Thầy để làm em hồn thiện Lời cuối cùng, em xin kính chúc thầy nhiều sức khỏe, thành công hạnh phúc.” Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nhóm 08 Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ MỤC LỤC Cảm biến chuyển năng_CT378 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CẢM BIẾN HC-SR04 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI I TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN HC-SR04 HC-SR04 gì: Cấu tạo thông số kĩ thuật cảm biến: .6 Nguyên lý hoạt động: Ứng dụng, ưu điểm nhược điểm HC-SR04 .8 II ĐỀ XUẤT HƯỜNG GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI .8 Mô tả ý tưởng, mục tiêu, chức đề tài .8 1.1 Mô tả ý tưởng: 1.2 Mục tiêu: 10 1.3 Chức đề tài: .10 Mơ hình hệ thống: 10 2.1 Dạng sơ đồ khối .10 2.2 Mô tả sơ đồ dạng khối hệ thống 11 Thiết kế phần cứng hệ thống 11 3.1 Vẽ sơ đồ phần cứng phần mềm Tinkercad .11 3.2 Lựa chọn thiết bị: 11 Thiết kế phần mềm hệ thống 12 4.1 Phát thảo lưu đồ giải thuật .12 Dự kiến kết đạt khả ứng dụng thực tế đề tài .14 5.2 Khả ứng dụng thực tế 14 Dự trù vật tư thiết bị 14 III KẾT QUẢ THỰC HIỆN 14 Mô sơ đồ mạch phần mềm Proteus .14 Mô sơ đồ mạch phần mềm Tinkercad 16 Đoạn code cho chương trình 18 Mơ hình thực tế .20 Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CẢM BIẾN HC-SR04 (Cảm biến siêu âm) Cảm biến HC-SR04 cảm biến khoảng cách siêu âm giá rẻ dễ sử dụng Nó có phạm vi đo từ đến 400 cm thường sử dụng dự án tự động hóa Cảm biến hoạt động cách phát sóng siêu âm đo thời gian sóng phản xạ trở lại để tính tốn khoảng cách đến vật cản HC-SR04 sử dụng với nhiều loại vi điều khiển khác nhau, bao gồm Arduino Cảm biến HC-SR04 có kích thước nhỏ gọn dễ lắp đặt Nó có hai chân kết nối chân Trigger chân Echo Chân Trigger sử dụng để kích hoạt phát sóng siêu âm, chân Echo sử dụng để đọc tín hiệu phản xạ trở lại Cảm biến có hai chân cấp nguồn Vcc Gnd để kết nối với nguồn điện HC-SR04 giải pháp hiệu chi phí để đo khoảng cách ứng dụng robot tránh vật cản, đo khoảng cách định vị Với giá thành rẻ tính dễ sử dụng, HC-SR04 lựa chọn tuyệt vời cho dự án điện tử cho sinh viên Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI (Cảnh báo va chạm sử dụng cảm biến HC-SR04) Đề tài trình bày cách sử dụng cảm biến HC-SR04 để đo khoảng cách hiển thị kết lên hình LCD Trong đề tài này, nhóm sử dụng cảm biến HC-SR04 để đo khoảng cách hiển thị kết lên hình LCD1 Ngồi ra, chương trình cịn có chức cảnh báo đèn LED còi khoảng cách nhỏ 10cm lúc mày hình LCD in kết đo dòng “ Cảnh báo!” điều khiển động DC dừng Ngược lại khoảng cách đo lớn 10cm động kích để hoạt động song song với LED cịi ngừng báo hình LCD in kết đo dịng “An tồn” Đây ứng dụng thực tế cảm biến HC-SR04 việc đo khoảng cách phản ứng theo kết đo Đề tài giúp bạn hiểu rõ cách hoạt động ứng dụng cảm biến HC-SR04, cách lập trình để sử dụng với Arduino Hy vọng thơng qua đề tài này, bạn sinh viên khác có thêm kiến thức bổ ích cảm biến HC-SR04 ứng dụng Để xác định tổ chức sở hữu xen kẽ dòng “Cảnh báo!” “An tồn” nhóm thêm LCD in dịng “Dai hoc Can Tho” Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ I TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN HC-SR04 HC-SR04 gì: ❖ Khái niệm: HC-SR04 cảm biến siêu âm chủ yếu dùng để xác định khoảng cách đối tượng mục tiêu Nó đo khoảng cách xác cơng nghệ khơng tiếp xúc (không tiếp xúc cảm biến vật thể) Hình 1: Cảm biến siêu âm HC-SR04 Cấu tạo thông số kĩ thuật cảm biến: Cấu tạo: Modun cảm biến có chân: Chân VCC: Dùng để cấp nguồn 5v Chân Trig: Chân digital output Chân Echo: Chân digital input Chân GND: Chân 0v (chân nối Mass) Cảm biến chia làm 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 ❖ 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 ❖ ➢ ❖ ❖ ❖ ❖ ➢ ❖ Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ Trường Đại học Cần Thơ Thông số kĩ thuật: Model: HC-SR04 Điện áp làm việc: 5VDC Dòng điện: 15mA Tần số: 40 KHZ Khoảng cách phát hiện: 2cm – 400cm 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 Kích thước: 45mm × 20mm × 15mm Hình 2:Sơ đồ chân cảm biến siêu âm HC-SR04 Nguyên lý hoạt động: ❖ Cảm biến hoạt động dựa nguyên lý: “ Phát sóng phản xạ sóng ” Cảm biến bao gồm: Bộ phát (Trig) thu (Echo) hai phận thực cơng việc thu phát tín hiệu cảm biến Bộ phát chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng siêu âm, cịn thu chuyển đổi tín hiệu siêu âm trở lại thành tín hiệu điện Khi hoạt động, mơ-đun phát phát xung siêu âm ngắn Xung lan truyền qua khơng khí phản xạ lại gặp vật cản Mô-đun nhận nhận xung phản xạ dựa vào thời gian (thời gian phát nhận lại từ phản xạ) kết hợp với tốc độ truyền âm khơng khí (khoảng 340m/s), cảm biến tính tốn khoảng cách đến vật cản Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ Hình 3: Sơ đồ mơ tả ngun lí hoạt động cảm biến Ứng dụng, ưu điểm nhược điểm HC-SR04 ❖ Với module cảm biến siêu âm HC-SR04 ứng dụng nhiều toán đo khoảng cách vật từ xa Phạm vi đo ngắn, khoảng 2-400cm - Một số ứng dụng khác hay dùng module cảm biến siêu âm HCSR04 mà thường thấy như: + Dùng đo mực chất lỏng chai, hộp sữa… + Dùng phát vật cản đường robot… ❖ Ưu điểm: + Nhỏ gọn + Giá thành rẻ + Dễ tìm mua + Phát sóng siêu âm có độ xác cao + Phạm vi đo rộng 2- 400cm + Dễ dàng lắp đặt kết hợp với kit Arduino ❖ Nhược điểm: + Hiệu suất làm việc liên tục không cao + Dễ bị nhiễu tác động + Khơng thích hợp làm việc môi trường công nghiệp + Độ nhạy dãy đo phụ thuộc vào phần Code nạp II ĐỀ XUẤT HƯỜNG GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI Mô tả ý tưởng, mục tiêu, chức đề tài 1.1 Mô tả ý tưởng: Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ ❖ Mô tả đề tài: - “ Đề tài sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 để đo khoảng cách hiển thị kết lên hình LCD với vi điều khiển Arduino UNO Ngồi ra, cịn kết hợp sử dụng LED, còi báo động DC để phản ứng với khoảng cách đo Khi khoảng cách nhỏ 10cm in kết đo LCD đồng thời LED sáng, còi kêu để cảnh báo lúc động không hoạt động Ngược lại, khoảng cách lớn 10cm, LCD in kết đo, đèn LED còi lúc khơng bật hệ thống an tồn động hoạt động” ❖ Mô tả cách để tính tốn khoảng cách đến vật cản: Hình 4: Ảnh mô tả khoảng cách truyền phản hồi ➢ - Ngun lí đo: Cảm biến siêu âm HC-SR04 phát sóng siêu âm tới vật cần đo Sóng siêu âm gặp vật cản phản xạ lại cảm biến Gọi t thời gian từ phát sóng siêu âm đến sóng phản xạ lại Khoảng cách đo tính theo cơng thức: S= 𝑻 𝑽 - Trong đó: + T thời gian sóng siêu âm phát gặp vật cản (khơng tính lúc 𝒕 phản xạ lại): T = 𝟐 + V vận tốc sóng siêu âm khơng khí (khoảng 340m/s) + S khoảng cách cần đo 100 + Quy đổi: 340m/s 0.034 cm/𝜇𝑠 340* = 0.034 1000000 Trang Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ Vậy 1𝜇s sóng siêu âm 0.034cm Số 𝜇s tương ứng với 1cm là: = 29.41 𝜇s số dùng để tính tốn 0.034 1.2 Mục tiêu: - Giá trị đo (cm) hiển thị LCD hàng (Distance: cm) hàng hiển thị trạng thái “Cảnh báo!” “An toàn” với trường hợp - Nhóm thêm phần tổ chức sở hữu xen kẽ lần in hai trạng thái hàng hình LDC là: “Dai hoc Can Tho” 1.3 Chức đề tài: - Đề tài có chức cảnh báo làm việc với hệ thống cần có khoảng cách để đảm bảo an tồn ví dụ máy cắt, máy tiện…để cảnh báo kịp thời khoảng cách nguy hiểm ngắt động để đảm bảo an toàn làm việc Mơ hình hệ thống: 2.1 Dạng sơ đồ khối Bộ nguồn Bộ cảnh báo (Nguồn DC) (LED, BUZZER) Bộ xử lí tung tâm (ARDUINO UNO) Bộ hiển thị Động (LCD) (DC Motor) Bộ đo lường (HC-SR04) Hình 5: Sơ đồ dạng khối hệ thống Trang 10 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ 2.2 Mô tả sơ đồ dạng khối hệ thống ❖ Mô tả ngắn gọn sơ đồ khối hệ thống: - Nguồn cấp cho động vi điều khiển Arduino uno Bộ đo lường làm nhiệm vụ thu thập thông tin cho trung tâm điều khiển phân tích xử lí sau trung tâm điều khiển gửi liệu có liên quan phận có phần mạch Thiết kế phần cứng hệ thống 3.1 Vẽ sơ đồ phần cứng phần mềm Tinkercad Hình 6:Thiết kế phần cứng phần mềm Tinkercad Online 3.2 Lựa chọn thiết bị: Arduino UNO Cảm biến HC-SR04 Trang 11 LCD 16×2 Cảm biến chuyển năng_CT378 Buzzer 3V Điện trở 330 Ω Trường Đại học Cần Thơ LED … Ω Thiết kế phần mềm hệ thống 4.1 Phát thảo lưu đồ giải thuật Trang 12 Biến trở 1kΩ Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ BEGIN Khởi tạo chân kết nối với LCD, HC-SR04, đènLED, BUZZER DC Motor Đo khoảng cách: Đo khoảng cách HC-SR04 Hiển thị khoảng cách: Hiển thị khoảng cách LCD True False Khoảng cách < 10cm ? In hình LCD - In hình LCD Bật LED, BUZZER Tắt DC Motor - Hình 7: Lưu đồ hệ thống Trang 13 Tắt LED, BUZZER Bật DC Motor Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ Dự kiến kết đạt khả ứng dụng thực tế đề tài 5.1 Dự kiến kết đạt - Phần chính: Hệ thống thể hiển thị khoảng cách theo tín hiệu trả cảm biến lên LCD Kết hợp với cảnh báo (Led với Buzzer) động Motor hoạt động theo mức độ phản ứng cảm biến - Phần phụ: Các hiệu lệnh “Cảnh báo!”, “An Toàn” “Dai hoc Can Tho” in lên LCD hàng thứ hai 5.2 Khả ứng dụng thực tế - Khả ứng dụng cảm biến HC-SR04 cao Thể lên việc đo khoảng cách, đo mực chất lỏng chai…Ở đề tài nhóm phát triển việc đo khoảng cách để cảnh báo phạm vi an toàn an tồn thơng qua số hiệu lệnh - Đề tài ứng dụng sống với mơi trường làm việc cần có khoảng cách để đảm bảo an toàn như: số máy cắt, máy ép, bãi đổ xe… - Phần quan trọng việc tìm hiểu để phát triển thêm ứng dụng cảm biến Nhóm tin ứng dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 nhiều chưa dừng lại Dự trù vật tư thiết bị - Tính tốn hợp lí thiết bị cần thiết cung cấp cho đề tài phù hợp với kinh phí có - Tùy vào tình hình để chọn mua thiết bị, linh kiện để đảm bảo với tiến độ đề tài thực - Đưa hướng giải trình hồn thành đề tài nhiều ngun nhân như: thiếu vật tư thiết bị thiết bị hỏng trình làm III KẾT QUẢ THỰC HIỆN Mô sơ đồ mạch phần mềm Proteus Trang 14 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ Hình 8: Sơ đồ mạch mơ phần mềm Proteus ❖ Kết quả: - Trường hợp 1: Khi khoảng cách nhỏ 10cm Trang 15 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ ➢ Khoảng cách nhỏ 10cm hình LCD in khoảng cách dòng cảnh báo lúc led sáng cịi bật lên, động Motor khơng hoạt động (Do mơ nên nhìn thấy đèn led sáng cịi kêu cách có nhấp nháy tín hiệu điện vào) - Trường hợp 2: Khi khoảng cách lớn 10cm ➢ Khoảng cách lớn 10cm hình LCD in khoảng cách dịng an tồn lúc led cịi tắt, động Motor kích để hoạt động (Do ảnh nên không thấy được động quay) Mô sơ đồ mạch phần mềm Tinkercad Trang 16 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ Hình 9: Sơ đồ mạch mơ phần mềm Tinkercad Online ❖ Kết quả: ❖ Trường hợp 1: Khi khoảng cách nhỏ 10cm Đèn led còi hoạt động Trang 17 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ - Trường hợp 2: Khi khoảng cách lớn 10cm Đèn led còi tắt Chiều quay động Đoạn code cho chương trình - Phần mềm Arduino IDE hỗ trợ viết code: ❖ Đoạn code cho chương trình: #include // Thư viện LCD const int rs = 12, en = 11, d4 = 5, d5 = 4, d6 = 3, d7 = 2; // Khai báo chân kết nối với LCD LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7); const int trigPin = 9; // Chân Trig HCSR05 kết nối với Arduino UNO const int echoPin = 10; // Chân Echo HCSR05 kết nối với Arduino UNO const int ledPin = 13; // Khai báo kết nối chân LED const int buzzerPin = 8; // Khai báo kết nối chân CÒI const int motorPin1 = 6; // Khai báo chân điều khiển động DC const int motorPin2 = 7; // Khai báo chân điều khiển động DC void setup() { lcd.begin(16, 2); pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); Trang 18 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(buzzerPin, OUTPUT); pinMode(motorPin1, OUTPUT); pinMode(motorPin2, OUTPUT); } void loop() { long duration; // Biến đo thời gian phát phản xạ lại (t) float distance; // Biến đo khoảng cách digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); distance = (duration/2) / 29.41; // Cơng thức để tính tốn khoảng cách lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Distance:"); lcd.print(distance); // In khoảng cách hiển thị lcd.print("cm "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Dai hoc Can Tho"); delay(1000); if (distance < 10) { digitalWrite(ledPin,HIGH); tone(buzzerPin,1000); delay(1000); noTone(buzzerPin); delay(1000); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(" Canh bao! "); delay(3000); // Dừng động digitalWrite(motorPin1, LOW); digitalWrite(motorPin2, LOW); } else { digitalWrite(ledPin,LOW); noTone(buzzerPin); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(" An toan "); delay(1000); Trang 19 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ // Điều khiển động chạy digitalWrite(motorPin1,HIGH); digitalWrite(motorPin2,LOW); } } Mơ hình thực tế ❖ Mơ hình thực tế: Hình 10: Mơ hình thực tế đề tài ❖ Kết thực tế: Trang 20 Cảm biến chuyển năng_CT378 Trường Đại học Cần Thơ Nhận xét CBHD Sinh viên thực ……………………………… Nhóm 08 ……………………………… ……………………………… Tài liệu tham khảo: [1] Bài giảng học phần Cảm biến chuyển năng_CT378_Thầy Nguyễn Văn Mướt_Trường Đại học Cần Thơ [2] Nguồn Internet: https://huphaco.vn/cam-bien-sieu-am-hc-sr04/ [3] Nguồn Internet: https://arduinokit.vn/do-khoang-cach-bang-cam-bien-sieu-amhc-srf04/ Trang 21