báo cáo mạch đo khoảng cách sử dụng cảm biến siêu âm

Trong báo cáo này, chúng tôi sẽ đề xuất một mạchđo khoảng cách đơn giản sử dụng vi điều khiển vi điều khiển8051, cảm biến siêu âm và LCD 16X2.Cơ chế hoạt động của mạch đo khoảng cách sẽ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-    

-BÁO CÁO Mạch đo khoảng cách sử dụng cảm biến siêu âm

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Thanh Hường

Group 8 Sinh viên thực hiện

Lê Quý Dương 20212402

Hoàng Ngọc Trọng 20212423

Lê Hữu Hải Đăng 20210153

Nguyễn Tất Đạt 20212404

1

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU 3

I Giới thiệu đề tài 4

1.1 Tổng quan 4

1.2 Mục tiêu chính 4

1.3 Quy mô sản phẩm 4

II Sơ đồ khối 5

2.1 Sơ đồ khối 5

2.2 Linh kiện của mạch 5

III Thiết kế mạch 6

3.1 Cảm biến siêu âm 6

3.2 Vi điều khiển 8051 8 3.3 LCD 16x2 11

IV Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 13

4.1 Sơ đồ mạch 13

4.2 Mô phỏng trên Proteus 13

V Sản phẩm thực tế 14

VI Kết Luận 15

REFERENCE 16

Lời nói đầu

Việc đo khoảng cách là một phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng hiện đại, từ các ứng dụng công nghiệp cho đến các ứng dụng gia đình và cá nhân Với sự phát triển của công nghệ, các mạch đo khoảng cách đã trở nên phổ biến và đa dạng hơn bao giờ hết Trong báo cáo này, chúng tôi sẽ đề xuất một mạch

đo khoảng cách đơn giản sử dụng vi điều khiển vi điều khiển

8051, cảm biến siêu âm và LCD 16X2

Cơ chế hoạt động của mạch đo khoảng cách sẽ được trình bày trong báo cáo này Mạch đo khoảng cách phải hoạt động chính xác, đơn giản, gọn nhẹ Khi cảm biến phát ra các xung tín hiệu

ra và nhận các xung tín hiệu quay về, bộ xử lý phải tính toán khoảng cách và điều khiển màn hình hoạt động theo yêu cầu đã đặt ra

3

I Giới thiệu đề tài

1.1 Tổng quan

Việc đo khoảng cách là một khía cạnh cực kỳ quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống hiện đại, được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ trong công nghiệp cho tới đời sống sinh hoạt thường ngày Một phương pháp đơn giản để xác định khoảng cách là sử dụng một mạch đo khoảng cách Nhận thức được tầm quan trọng của chúng, chúng tôi đề xuất một mạch xác định khoảng cách đơn giản, hiệu quả và thiết thực

1.2 Mục tiêu chính

Để thực hiện project này, ta cần đạt được các mục tiêu sau:

 Vẽ sơ đồ khối của mạch và tìm hiểu về chức năng của từng khối trong đó

 Lựa chọn linh kiện cho từng khối

 Mô phỏng cách mạch hoạt động trên các phần mềm như Proteus,…

1.3 Quy mô sản phẩm

Project này được thiết kế một mạch đo khoản cách đơn giản sử dụng trong đời sống hàng ngày Linh kiện được sử dụng sẽ là linh kiện phổ biến trên thị trường Chi phí của mạch sẽ vào khoảng 100.000-150.000 đồng

II Sơ đồ khối

2.1 Sơ đồ khối

 Khối cảm biến: chức năng chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện

 Khối xử lí: chức năng xử lý tín hiệu từ khối cảm biến gửi kết quả sang khối hiển thị

 Khối hiển thị: chức năng hiển thị kết quả đo ra số thập phân, các dòng thông báo

2.2 Linh kiện của mạch

Linh kiện Số lượng

Dây cắm breadboard

5

III Thiết kế mạch

3.1 Module cảm biến siêu âm

Với mạch này, ta sẽ sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 Module cảm biến siêu âm HC-SR04 được ứng dụng nhiều nhất trong các bài toán đo khoảng cách vật

Phạm vi đo ngắn, trong khoảng 2-400cm

 Cảm biến siêu âm SR04 hoạt động bằng cách phát 1 tín hiệu siêu âm

(tần số 40Khz) và bắt đầu đếm thời gian nhận được tín hiệu phản hồi

 Khoảng cách do cảm biến siêu âm SR-04 được tính từ tốc

độ và thời gian phản hồi

Cảm biến siêu âm HC- SR04 Thông số kỹ thuật :

 Điện áp nguồn cung cấp 5V DC

 Dòng tiêu thụ <2mA

 Góc có hiệu lực <15 0

 Khoảng cách đo: 2cm – 500cm

 Độ chính xác: 0.5cm

Cảm biến HC- SR 04 có 4 chân: chân cấp nguồn Vcc, chân kích (Trigger), chân nhận tín hiệu dội (echo) và chân GND

Giản đồ thời gian các tín hiệu:

Giản đồ thời gian của cảm biến HC- SR04

Nguyên lý hoạt động :

Để đo khoảng cách dùng cảm biến siêu âm thì hệ thống điều khiển phải kích tín hiệu chân trigger tạo ra 1 xung có mức logic 1 tối thiểu là 10µs Tín hiệu tương thích chuẩn TTL Sau đó thì mạch cảm biến sẽ tạo ra một chuỗi 8 xung phát ra ở biến tử phát, sau khi gặp vật cản nằm trong giới hạn đo thì sóng sẽ phản

xạ về và tín hiệu echo lên mức 1 với thời gian ở mức 1 tỷ lệ

Hệ thống phải đo thời gian tín hiệu echo ở mức logic 1 theo đơn

7

vị thời gian là µs, lấy thời gian đo được chia cho 58 sẽ được khoảng cách cần đo theo đơn vị cm, chia cho 148 sẽ được khoảng cách theo đơn vị inch – các hệ số này do nhà cung cấp cho chúng ta – dựa vào tốc độ sóng phát đi và phản xạ về

3.2 Vi điều khiển 8051

Vi điều khiển 8051 được Intel thiết kế vào năm 1981 Đây là bộ vi điều khiển 8 bit, được xây dựng với 40 chân DIP (gói nội tuyến kép), 4kb bộ nhớ ROM và

128 byte bộ nhớ RAM, 2 bộ định thời 16 bit Nó bao gồm bốn cổng 8 bit song song, có thể lập trình cũng như định địa chỉ theo yêu cầu Một bộ dao động tinh thể trên chip được tích hợp trong bộ vi điều khiển có tần số tinh thể là 12 MHz

Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051 Hãng Intel ký hiệu nó như là MCS51

8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất

và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để

mã lại tương thích với 8051 Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của

8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chip khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lượng nhớ ROM trên chip, nhưng tất

cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh Điều này có nghĩa là nếu

ta viết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ hãng sản xuất nào

Kiến trúc cơ bản bên trong 8051 bao gồm các khối chức năng sau:

- CPU (Central Processing Unit): đơn vị điều khiển trung tâm

- Bộ nhớ chương trình ROM bao gồm 4 Kbyte

- Bộ nhớ dữ liệu RAM bao gồm 128 byte

- Bốn cổng xuất nhập

- Hai bộ định thời/bộ đếm 16 bit thực hiện chức năng định thời và đếm sự kiện

- Bộ giao diện nối tiếp (cổng nối tiếp)

- Khối điều khiển ngắt với hai nguồn ngắt ngoài

- Bộ chia tần số

Hình dưới cho ta sơ đồ chân của chip 8051, mô tả chức năng các chân như sau: Chân

1 đến 8: được gọi là Cổng 1 (Port 1)

Tám chân này có duy nhất 1 chức năng là xuất và nhập Cổng 1 có thể xuất và nhập theo bit hoặc byte Ta đánh tên cho mỗi chân của Port 1 là P1.X (X = 0 đến 7)

Chân 9: là chân vào reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao trong ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Hay nói cách khác là vi điều khiển sẽ bị reset nếu chân này được kích hoạt mức cao

9

Chân 10 đến 17: được gọi là Cổng 3 (Port 3) Tám chân này ngoài chức năng là xuất

và nhập như các chân ở cổng 1 (chân 1 đến 8) thì mỗi chân này còn có chức năng riêng nữa, cụ thể như sau:

Chân 18 và 19 (XTAL1 & XTAL2) Hai chân này được sử dụng để nối với bộ dao động ngoài Thông thường một bộ dao động thạch anh sẽ được nối tới các chân đầu vào XTAL1 (chân 19) và XTAL2 (chân 18) cùng với hai tụ gốm giá trị khoảng 30pF Một phía của tụ điện được nối xuống đất Các hệ thống xây dựng trên 8051 thường

có tần số thạch anh từ 10 đến 40 MHz, thông thường ta dùng thạch anh 12 Mhz Chân 20: được nối vào chân 0V của nguồn cấp Chân 21 đến chân 28: được gọi là cổng 2 (Port 2) Tám chân của cổng 2 có 2 công dụng, ngoài chức năng là cổng xuất

và nhập như cổng 1 thì cổng 2 này còn là byte cao của bus địa chỉ khi sử dụng bộ nhớ ngoài Chân 29 (PSEN): Chân PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân OE của ROM ngoài để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài PSEN ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì PSEN được duy trì ở mức cao

Chân 30 (ALE): Chân ALE cho phép tách các đường dữ liệu và các đường địa chỉ tại Port 0 và Port Chân 31 (EA): Tín hiệu chân EA cho phép chọn bộ nhớ chương

trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển Nếu chân EA được nối ở mức cao (nối nguồn Vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội Nếu chân EA ở mức thấp (được nối GND) thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ ngoài Chân 32 đến 39: được gọi là cổng 0 (Port 0) Cổng 0 gồm 8 chân cũng có 2 công dụng, ngoài chức năng xuất nhập, cổng 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ, chức năng này sẽ được sử dụng khi 8051 giao tiếp với các biết bị ngoài có kiến trúc Bus như các vi mạch nhớ

Vì cổng P0 là một mảng mở khác so với các cổng P1, P2 và P3 nên các chân ở cổng

0 phải được nối với điện trở kéo khi sử dụng các chân này như chân vào/ra Điện trở này tùy thuộc vào đặc tính ngõ vào của thành phần ghép nối với chân của port 0 Thường ta dùng điện trở kéo khoảng 4K7 đến 10K

3.3 Module LCD 16x2

Mô-đun LCD 16 × 2 là loại mô-đun LCD rất phổ biến được sử dụng trong các dự

án nhúng dựa trên 8051 Nó bao gồm 16 hàng và 2 cột 5 × 7 hoặc 5 × 8 ma trận điểm LCD Các mô-đun đang nói về ở đây là loại JHD162A, một loại rất phổ biến

Nó có sẵn trong một gói 16 chân với ánh sáng nền, chức năng điều chỉnh độ tương phản và mỗi ma trận điểm có độ phân giải 5 × 8 chấm Số chân, tên của chúng và các chức năng tương ứng được hiển thị trong bảng bên dưới:

11

Chân số Tên chân Chức năng

GND

(5V)

Chân Vee là để điều chỉnh độ tương phản của màn hình LCD và độ tương phản có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp ở chân này Thực hiện bằng cách nối một đầu của biến trở với Vcc (5V), đầu kia với GND và nối chân giữa của biến trở với chân Vee JHD162A có hai thanh ghi tích hợp là thanh ghi dữ liệu và thanh ghi lệnh Thanh ghi dữ liệu để đặt dữ liệu sẽ được hiển thị và thanh ghi lệnh

để đặt các lệnh Mô-đun LCD 16 × 2 có một bộ lệnh mỗi lệnh để thực hiện một công việc cụ thể với màn hình Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về các lệnh sau Nếu mức logic cao đưa vào chân RS thì sẽ chọn thanh ghi dữ liệu và mức logic thấp ở chân RS thì sẽ chọn thanh ghi lệnh Nếu chúng ta đặt chân RS lên cao và đặt dữ liệu vào dòng dữ liệu 8 bit (DB0 đến DB7), mô-đun LCD sẽ nhận ra đó là dữ liệu

sẽ được hiển thị Nếu chúng ta làm cho chân RS ở mức thấp và đặt dữ liệu trên đường dữ liệu, mô-đun sẽ nhận ra đó là một lệnh Chân R / W có nghĩa là để chọn giữa chế độ đọc và ghi Mức cao ở chân này cho phép chế độ đọc và mức thấp ở chân này cho phép chế độ ghi Chân E là để kích hoạt các mô-đun DB0 đến DB7

là các chân dữ liệu Dữ liệu được hiển thị và lệnh được đặt trên các chân này.

IV Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

4.1 Sơ đồ mạch

4.2 Mô phỏng trên Proteus

Kết quả mô phỏng như hình dưới đây:

13

V Sản phẩm thực tế

Nhóm đã thiết kế thành công mạch đo khoảng cách Mô hình thử nghiệm được thực hiện theo sơ đồ mạch điện và kết quả đạt được như mong đợi Giá trị khoảng cách đo được chính xác, ít sai sót trong điều kiện khoảng cách cần đo không quá

VI Kết luận

Bằng việc sử dụng các kiến thức đã học và tìm hiểu thêm qua các nguồn khác, nhóm đã thành công trong việc chế tạo mạch đo khoảng cách sử dụng cảm biến siêu âm Mạch hoạt động ổn định với giá thành rẻ và độ chính xác khá cao Quá trình làm mạch cũng giúp nhóm hiểu sâu hơn về các linh kiện điện tử, củng cố các kiến thức đã được học

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC CỦA NHÓM

Họ Và Tên Nhiệm vụ được phân công

Mức độ hoàn thành nhiệm vụ (%)

Nguyễn Tất Đạt

Tìm hiểu các giao thức kết nối các thiết bị ngoại vi, lập trình vi điều

khiển

100 %

15

Hoàng Ngọc Trọng

Tìm hiểu các giao thức kết nối các thiết bị ngoại vi, lập trình vi điều

khiển

100%

Lê Quý Dương Tìm hiểu nguyên lý, viết báo cáo 100%

Lê Hữu Hải Đăng Tìm hiểu nguyên lý mạch, mô

phỏng trên Proteus 100%

REFERENCE

[1] “8051 Datasheet (PDF)”, ALLDATASHEET.COM - Electronic Parts Datasheet Search [2] “16x2 LCD Datasheet (PDF)”, ALLDATASHEET.COM - Electronic Parts Datasheet Search [3] “HCSR04 (PDF)”, ALLDATASHEET.COM - Electronic Parts Datasheet Search

[4] “Slide KTDL”, Nguyen Thanh Huong– KTDL (2024)