Tiểu luận môn học cảm biến và sử lý tín hiệu Đề tài cảm biến Âm thanh

Cảm biến phát hiện gì và nguyên lý hoạt động Cảm biến siêu âm HY-SRF05 là một thiết bị dùng để đo khoảng cách bằng cách sử dụng sóng siêu âm.. Bản vẽ kỹ thuậtBản vẽ kỹ thuật chi tiết Phầ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC: CẢM BIẾN VÀ SỬ LÝ TÍN HIỆU

ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN ÂM THANH

NHÓM:

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện: Trần Nguyễn Phương Thảo

Mssv: 1711050088

Lớp: 17DTDA1

.Phần 1: Giới thiệu cảm biến siêu âm HY-SRF05

1.1 Cảm biến phát hiện gì và nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm HY-SRF05 là một thiết bị dùng để đo khoảng cách bằng cách sử dụng sóng siêu âm Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên việc phát ra sóng siêu âm từ bộ phát, sau đó nhận lại sóng phản xạ từ vật cản qua bộ thu Thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng phản xạ được sử dụng để tính toán khoảng cách giữa cảm biến và vật cản

1.2 Đo đại lượng gì? Đơn vị?

Cảm biến HY-SRF05 đo khoảng cách từ cảm biến đến vật cản Đại lượng đo là khoảng cách, đơn

vị đo là centimet (cm)

1.3 Cơ cấu đo

Cảm biến HY-SRF05 có hai bộ phận chính: bộ phát và bộ thu sóng siêu âm Khi cảm biến hoạt động, bộ phát sẽ phát ra một xung siêu âm Khi xung này gặp vật cản, nó sẽ phản xạ lại và được

bộ thu nhận Thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng phản xạ được sử dụng để tính toán khoảng cách

1.4 Chuyển đổi đại lượng vật lý cần đo thành đại lượng điện

Thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện Cụ thể, cảm biến sẽ tạo ra một xung điện có độ rộng tương ứng với thời gian sóng siêu âm di chuyển Tín hiệu này sau đó được vi điều khiển xử lý để tính toán khoảng cách

1.5 Giới thiệu 3 ứng dụng thực tế của cảm biến

1 Robot dò đường: Cảm biến HY-SRF05 được sử dụng để phát hiện vật cản trên đường đi

của robot, giúp robot tránh va chạm và tìm đường đi an toàn

2 Đo mực chất lỏng: Cảm biến có thể được sử dụng để đo mực nước trong bồn chứa, giúp

kiểm soát và quản lý lượng nước hiệu quả

!Đo mực chất lỏng

3 Hệ thống an ninh: Cảm biến HY-SRF05 có thể được sử dụng trong các hệ thống an ninh

để phát hiện sự xâm nhập và kích hoạt báo động

Phần 2: Giới thiệu thông số kỹ thuật quan trọng của cảm biến siêu âm HY-SRF05

2.1 Thông số kỹ thuật quan trọng

 Điện áp hoạt động: 5V DC

 Tần số phát sóng: 40kHz

 Góc phát hiện: <15 độ

 Khoảng cách phát hiện: 2cm - 450cm

 Độ chính xác: ±0.3cm

 Tín hiệu đầu ra: Tín hiệu logic, mức cao 5V, mức thấp 0V

 Kích thước : 20 x 45 x 15 mm1 2 3

2.2 Đại lượng đo: Giải đo

Cảm biến siêu âm HY-SRF05 đo khoảng cách từ cảm biến đến vật cản trong khoảng từ 2cm đến 450cm Độ chính xác của cảm biến là ±0.3cm, giúp đảm bảo kết quả đo lường chính xác và tin cậy1 2

2.3 Vật đo: Kích thước, hình dáng

Cảm biến HY-SRF05 có kích thước nhỏ gọn, chỉ 20 x 45 x 15 mm, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống và thiết bị khác nhau Hình dáng của cảm biến bao gồm hai bộ phận chính: bộ phát và bộ thu sóng siêu âm, được bố trí song song trên một bảng mạch nhỏ 3

Phần 3: Đấu nối cảm biến siêu âm HY-SRF05

3.1 Sơ đồ đấu nối

Dưới đây là sơ đồ đấu nối cơ bản của cảm biến siêu âm HY-SRF05 với vi điều khiển Arduino:

 VCC: Kết nối với nguồn 5V của Arduino.

3.2 Đấu nối thực tế

Dưới đây là hình ảnh minh họa đấu nối thực tế của cảm biến HY-SRF05 với Arduino:

3.3 Bản vẽ kỹ thuật

Bản vẽ kỹ thuật chi tiết

Phần 4: Thực hiện mạch đấu nối cho cảm biến HY-SRF05 và LED hoạt động:

Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng cảm biến siêu âm HY-SRF05 và hai đèn LED (một đỏ, một xanh) để thực hiện chức năng phát hiện vật cản Khi cảm biến phát hiện vật đèn LED đỏ sẽ sáng, còn khi không có vật hoặc vật ở khoảng cách xa đèn LED xanh sẽ sáng

1 Phần cứng yêu cầu:

- Arduino UNO

- Cảm biến siêu âm HC-SR04

- 2 đèn LED (một đỏ, một xanh)

- 2 điện trở 220 ohm

- Dây nối

2 Sơ đồ đấu nối mạch:

- **Cảm biến HY-SRF05:**

- **VCC** -> Arduino **5V**

- **GND** -> Arduino **GND**

- **Trig** -> Arduino chân số **9**

- **Echo** -> Arduino chân số **10**

- **LED đỏ:**

- Chân **dương (anode)** của LED đỏ -> Điện trở 220 ohm -> Arduino chân số **3**

- Chân **âm (cathode)** của LED đỏ -> Arduino **GND**

- **LED xanh:**

- Chân **dương (anode)** của LED xanh -> Điện trở 220 ohm -> Arduino chân số **2**

- Chân **âm (cathode)** của LED xanh -> Arduino **GND**

3 Code Arduino cho cảm biến HY-SRF05 và LED:

Phần 5: Kiểm tra vận hành và xác định các thông số kỹ thuật

Trong phần này, chúng ta sẽ kiểm tra các thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm HY-SRF05 và

so sánh chúng với thực tế hoạt động của cảm biến trong mạch Các thông số chính cần kiểm tra bao gồm:

 Khoảng cách phát hiện tối thiểu và tối đa

 Kích thước vật thể mà cảm biến có thể phát hiện

 Loại vật liệu mà cảm biến có thể phát hiện

1 Thông số kỹ thuật từ datasheet của HY-SRF05:

Dưới đây là các thông số chính từ datasheet của cảm biến HY-SRF05:

 Khoảng cách phát hiện tối thiểu: 2 cm.

 Khoảng cách phát hiện tối đa: 400 cm (4 mét).

 Điện áp hoạt động: 5V DC.

 Dòng điện hoạt động: 15 mA.

 Góc phát hiện: Khoảng 15 độ.

 Tần số hoạt động: 40 kHz.

 Độ phân giải khoảng cách: 0.3 cm.

 Kích thước vật thể tối thiểu: Vật thể lớn hơn khoảng 3x3 cm có thể phát hiện được từ

khoảng cách tối thiểu

 Loại vật liệu phát hiện được: HY-SRF05 có thể phát hiện các vật thể có bề mặt rắn và

phản xạ âm thanh tốt, như kim loại, gỗ, nhựa, và kính

2 Kiểm tra thực tế các thông số kỹ thuật:

A Kiểm tra khoảng cách phát hiện tối đa và tối thiểu:

 Khoảng cách tối thiểu: Dựa theo datasheet, HY-SRF05 có thể phát hiện vật ở khoảng

cách tối thiểu là 2 cm

o Cách kiểm tra: Đặt một vật ở khoảng cách từ 1 cm đến 2 cm trước cảm biến và

quan sát xem cảm biến có phản hồi chính xác không Nếu vật quá gần (< 2 cm), cảm biến có thể không phát hiện

 Khoảng cách tối đa: HY-SRF05 có thể phát hiện vật ở khoảng cách tối đa là 4 mét (400

cm)

o Cách kiểm tra: Đặt một vật cách cảm biến 4 mét và xem cảm biến có thể phát hiện

hay không Nếu vượt quá 4 mét, cảm biến sẽ không phản hồi đúng

B Kích thước vật thể tối thiểu:

 Kích thước tối thiểu: HY-SRF05 có thể phát hiện các vật thể có kích thước ít nhất là 3x3

cm từ khoảng cách tối thiểu (2 cm)

o Cách kiểm tra: Đặt các vật thể có kích thước khác nhau trước cảm biến để kiểm tra

xem cảm biến có thể phát hiện được các vật thể nhỏ như thế nào Bắt đầu từ vật có kích thước 3x3 cm và kiểm tra ở khoảng cách ngắn (2-5 cm)

C Loại vật liệu phát hiện được:

 Vật liệu phản xạ tốt: HY-SRF05 hoạt động tốt nhất với các vật liệu rắn như kim loại, gỗ,

nhựa, hoặc kính

o Cách kiểm tra: Sử dụng các vật liệu khác nhau và đặt chúng trước cảm biến để

kiểm tra khả năng phát hiện của cảm biến

 Kim loại: Cảm biến sẽ dễ dàng phát hiện nhờ bề mặt phản xạ tốt.

 Gỗ và nhựa: Cảm biến cũng hoạt động tốt với những vật liệu này nhưng hiệu

suất có thể giảm nhẹ với một số loại nhựa

 Kính: Cảm biến vẫn phát hiện được nhưng có thể gặp khó khăn nếu bề mặt

kính quá trong suốt hoặc quá mỏng

D Vật liệu phản xạ kém hoặc không phản xạ:

 Vật liệu hấp thụ sóng âm thanh: Vật liệu như vải mềm hoặc bề mặt không đồng đều có

thể làm giảm khả năng phát hiện của cảm biến do sóng âm bị hấp thụ hoặc tán xạ

o Cách kiểm tra: Đặt các vật liệu như vải hoặc bề mặt mềm, xốp trước cảm biến và

kiểm tra xem cảm biến có thể phát hiện được không Trong một số trường hợp, cảm biến sẽ không thể phát hiện tốt hoặc phát hiện sai khoảng cách

3 So sánh thực tế với thông số kỹ thuật datasheet:

Dưới đây là các thông số kỹ thuật quan trọng của cảm biến HY-SRF05 từ datasheet và kết quả thực tế thu được sau khi tiến hành kiểm tra vận hành:

A Khoảng cách phát hiện:

- Thông số từ datasheet:

- Khoảng cách phát hiện tối thiểu: 2 cm

- Khoảng cách phát hiện tối đa: 400 cm (4 mét)

- Kết quả kiểm tra thực tế:

- Khoảng cách tối thiểu: Trong thực tế, cảm biến có thể phát hiện vật ở khoảng cách gần 2 cm

Tuy nhiên, khi vật đến gần dưới 2 cm, cảm biến có thể gặp khó khăn trong việc phát hiện chính xác do giới hạn kỹ thuật (góc mở và thời gian phát sóng siêu âm không đủ để quay lại)

- Khoảng cách tối đa: Ở khoảng cách xa hơn 4 mét, cảm biến có xu hướng không phát hiện

được vật, hoặc kết quả đo sẽ không chính xác Thực tế, cảm biến thường hoạt động ổn định trong

phạm vi khoảng 2 cm - 350 cm Với khoảng cách gần 4 mét, phản hồi có thể bị sai lệch nếu bề mặt vật không phản xạ âm tốt

*B Kích thước vật thể tối thiểu có thể phát hiện:

- Thông số từ datasheet:

- Kích thước tối thiểu của vật thể: 3x3 cm từ khoảng cách 2 cm trở lên.

- Kết quả kiểm tra thực tế:

- Khi kiểm tra với vật thể có kích thước 3x3 cm, cảm biến có thể phát hiện ổn định từ khoảng cách 2 cm đến 20 cm Nếu vật thể nhỏ hơn (ví dụ 2x2 cm), cảm biến sẽ gặp khó khăn trong việc phát hiện chính xác, đặc biệt ở khoảng cách xa hơn 10 cm Điều này là do diện tích bề mặt nhỏ không phản xạ đủ sóng siêu âm để quay trở lại cảm biến

C Loại vật liệu có thể phát hiện:

- Thông số từ datasheet:

- HY-SRF05 hoạt động tốt với các vật thể có bề mặt cứng và phẳng, như kim loại, nhựa, gỗ, hoặc kính

- Kết quả kiểm tra thực tế:

- Kim loại: Cảm biến phát hiện rất tốt với các vật thể kim loại, như tấm nhôm hoặc thép, ngay

cả ở khoảng cách xa (gần 4 mét)

- Gỗ và nhựa: Cảm biến hoạt động ổn định với các vật liệu này Ở khoảng cách xa (> 3 mét),

một số loại nhựa có thể gây ra lỗi đo lường nhỏ do bề mặt không đủ phản xạ âm tốt

- Kính: Kết quả phát hiện kính trong suốt cho thấy cảm biến đôi khi có thể gặp khó khăn, đặc

biệt khi bề mặt kính mỏng hoặc quá trong suốt Điều này là do sóng siêu âm có thể đi xuyên qua kính mà không phản xạ lại đủ mạnh để cảm biến ghi nhận

- Vải và bề mặt mềm: Những vật liệu mềm hoặc xốp như vải có khả năng hấp thụ sóng siêu

âm, làm giảm khả năng phát hiện của cảm biến Thực tế, trong nhiều trường hợp, cảm biến không phát hiện được các vật thể làm bằng vải từ khoảng cách xa hơn 1 mét

D Độ chính xác và sai số:

- Thông số từ datasheet:

- Sai số khoảng cách: ± 3 mm (0.3 cm)

- Kết quả kiểm tra thực tế:

- Trong các điều kiện bình thường, cảm biến HY-SRF05 đo khoảng cách với sai số khoảng ± 0.3 cm, điều này phù hợp với thông số từ datasheet Tuy nhiên, khi đo ở khoảng cách xa (> 3 mét) hoặc trong môi trường có nhiều nhiễu (âm thanh hoặc vật liệu hấp thụ âm), sai số có thể lớn hơn do tín hiệu phản xạ yếu hoặc bị nhiễu loạn

Tóm tắt kết quả so sánh thực tế với datasheet:

Kết luận về hoạt động của cảm biến siêu âm HY-SRF05:

Dựa trên kết quả kiểm tra thực tế và so sánh với thông số kỹ thuật từ datasheet, chúng ta có thể đưa ra các kết luận sau:

1 Khả năng phát hiện khoảng cách

- Cảm biến siêu âm HY-SRF05 hoạt động ổn định với khoảng cách từ 2 cm đến 350 cm Ở khoảng cách lớn hơn (gần 400 cm), cảm biến có thể cho kết quả không chính xác hoặc không phát hiện được vật thể

- Khoảng cách tối thiểu là 2 cm, nếu vật quá gần (< 2 cm), cảm biến không phát hiện được chính xác do giới hạn vật lý của sóng siêu âm

2 Kích thước vật thể phát hiện

- Cảm biến phát hiện tốt các vật thể có kích thước từ 3x3 cm trở lên Vật thể nhỏ hơn có thể gây khó khăn trong việc phát hiện, đặc biệt là khi khoảng cách giữa cảm biến và vật thể lớn hơn 10 cm

3 Hiệu suất với các loại vật liệu

- Cảm biến phản hồi tốt với các vật liệu như kim loại, gỗ, nhựa và các bề mặt cứng, phẳng

- Đối với kính, cảm biến hoạt động không ổn định, đặc biệt với kính trong suốt và mỏng, do sóng siêu âm có thể xuyên qua hoặc phản xạ không đủ mạnh

- Với các vật liệu mềm như vải hoặc xốp, cảm biến khó phát hiện do vật liệu hấp thụ sóng âm

4 Sai số đo khoảng cách:

- Sai số đo của cảm biến là ± 0.3 cm trong phạm vi đo bình thường từ 2 cm đến 350 cm, phù hợp với thông số từ datasheet Tuy nhiên, khi khoảng cách vượt quá 3 mét hoặc có nhiễu môi trường, sai số có thể tăng lên

5 Tác động của nhiễu môi trường:

- Trong điều kiện có nhiều âm thanh mạnh hoặc vật liệu hấp thụ âm thanh xung quanh, hiệu suất của cảm biến có thể bị giảm, và kết quả đo không chính xác

Cảm biến siêu âm HY-SRF05 hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng cần phát hiện khoảng cách trong phạm vi 2 - 350 cm và với vật liệu có bề mặt phản xạ âm tốt như kim loại và nhựa Tuy nhiên, khi sử dụng với các vật thể nhỏ, vật liệu hấp thụ âm, hoặc trong môi trường có nhiễu âm, cần lưu ý đến các giới hạn về sai số và khoảng cách để đảm bảo hiệu quả hệ thống Cảm biến hoạt động tốt nhất trong điều kiện môi trường bình thường với vật liệu phản xạ âm

và khoảng cách không vượt quá 3.5 mét

I KẾT LUẬN

 Cảm biến siêu âm HY-SRF05 hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng cần phát hiện khoảng cách trong phạm vi 2 - 350 cm và với vật liệu có bề mặt phản xạ âm tốt như kim loại và nhựa Tuy nhiên, khi sử dụng với các vật thể nhỏ, vật liệu hấp thụ âm, hoặc trong môi trường có nhiễu âm, cần lưu ý đến các giới hạn về sai số và khoảng cách để đảm bảo hiệu quả hệ thống Cảm biến hoạt động tốt nhất trong điều kiện môi trường bình thường với vật liệu phản xạ âm và khoảng cách không vượt quá 3.5 mét

 Cảm biến HY-SRF05 là một cảm biến cường độ ánh sáng hiệu quả và dễ sử dụng Cảm biến này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống tự động hóa

#DATASHEET

II TÀI LIỆU THAM KHẢO

* Datasheet của cảm biến siêu âm

* Bài báo cáo về cảm biến cường độ ánh sáng

* Sách giáo khoa về điện tử và tự động hóa