Báo cáo Đồ Án cơ sở nghành Đề tài thiết kế hệ thống tự Động Đo khoảng cách dùng pic18f4520 và srf05

Tổng quan Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ và rộng lớn của nền khoa học kỹ thuật.Các công nghệ mới thuộc các lĩnh vực khác nhau cũng nhờ đó đã ra đời để đáp ứng như cầu của xã hội, và

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 4

1 GIỚI THIỆU 5

1.1 Tổng quan 5

1.2 Nhiệm vụ của đề tài 5

1.3 Phân chia công việc trong nhóm 6

2 LÝ THUYẾT 7

2.1 Giới thiệu về các linh kiện chính trong hệ thống: 7

2.1.1 Tổng quan về họ vi điều khiển PIC 7

2.1.2 Vi điều khiển PIC 18F4520: 7

2.1.3 LED 7 đoạn: 11

2.1.4 SRF05 12

2.2 Tính toán các linh kiện có trong hệ thống: 13

2.2.1 Tính toán thông số đọc từ cảm biến: 13

2.2.2 Tính toán các điện trở nối LED 7 đoạn: 13

2.2.3 Tính chọn trở và LED đơn chỉ thị 14

2.2.4 Chọn bộ nguồn cấp điện cho mạch: 14

3 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 15

3.1 Xác định sơ đồ khối của đề tài 15

3.2 Thiết kế mạch nguyên lí cho từng khối 16

3.2.1 Khối nguồn 16

3.2.2 Khối hiển thị và cảnh báo 17

3.2.3 Khối cảm biến 17

3.2.4 Khối xử lý trung tâm 18

3.2.5 Khối điều khiển 18

3.3 Sơ đồ mạch nguyên lí trong proteus: 19

3.4 Lưu đồ thuật toán 20

3.5 Code chương trình dùng MPLAB IDE 23

4 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 23

4.1 Thiết kế mạch nguyên lí trên Altium Designer 23

4.2 Thiết kế mạch in trên Altium Designer 24

5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 26

5.1 Trên phần mềm Proteus 26

5.2 Thực hiện làm mạch thực tế 26

6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 27

6.1 Kết luận 27

6.2 Hướng phát triển 27

7 Tài liệu tham khảo 27

8 PHỤ LỤC 27

8.1 Hướng dẫn sử dụng sản phẩm 27

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Vi điều khiển 18F4520 7

Hình 2.2:Sơ đồ khối kiến trúc của vi điều khiển 18F4520 9

Hình 2.3:Sơ đồ chân vi xử lí PIC 18F4520 10

Hình 2.4:Led 7 Đoạn 11

Hình 2.5:SRF05 12

Hình 2.6:Biểu đồ thời gian của SRF05 13

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống 15

Hình 3.2:Khối nguồn 16

Hình 3.3:Mô phỏng proteus 19

Hình 4.1:Sơ đồ nguyên lí của mạch trên Altium 23

Hình 4.2:Ảnh đường dây 24

Hình 4.3:Hình Ảnh 2D của mạch 24

Hình 4.4:Hình Ảnh 3D của mạch 25

Hình 5.1: Hình ảnh thực hiện mạch trên phần mềm Proteus 26

Hình 5.2: Hình ảnh thực hiện mạch thực tế 26

1 GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ và rộng lớn của nền khoa học kỹ thuật.Các công nghệ mới thuộc các lĩnh vực khác nhau cũng nhờ đó đã ra đời để đáp ứng như cầu của xã hội, và trong đó phải để đến sự phát minh ra Vi điều khiển

Vi điều khiển quản lý và điều khiển hoạt động của hệ thống thông qua phần mền, nhờ vậy mà ta có thể mở rộng và thay đổi hoạt động theo chương trình đã nạp sẵn, đọc các tín hiệu từ bên ngoài đưa vào sau đó lưu trữ và xử lý, trên cơ sở đưa racác thông báo, tín hiệu điều khiển các thiết bị bên ngoài hoạt động theo đúng thông

số và yêu cầu của hệ thống

Hệ thống điện tử số sử dụng bộ vi điều khiển cà máy tính trong các dâychuyền sản xuất công nghiệp, thực hiển nhiệm vụ điều khiển và giám sát hệ thống Ngoài ra vì điều khiển cũng có mặt trong các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng như: lò vi ba, lò sưỡi, máy giặt, hệ thống cảnh báo và giám sát của các phương tiện giao thông … và trong nhiều thiết bị công nghiệp khác

Với việc sử dụng các bộ vi điều khiển đễ điều khiển các công việc mang tính

đi lặp đi lặp lại và thực hiện phép đo các đại lượng một cách tự động thay thế sự giá

m xác của con người Trong tập đồ án này, em xin trình bày đề tài “Thiết kế hệthống tự động đo khoảng cách”

1.2 Nhiệm vụ của đề tài

Nhiệm vụ đề tài gồm:

 Áp dụng kỹ thuật và công nghệ phù hợp để thực hiện đề tài đồ án

 Áp dụng kiến thức, kỹ năng và công cụ liên quan để thực hiện đề tài

1.3 Phân chia công việc trong nhóm

2 LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về các linh kiện chính trong hệ thống:

2.1.1 Tổng quan về họ vi điều khiển PIC:

PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi

Microelectronics Division thuộc General_Instrument PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” (Máy tính khả trình thông minh) là mộtsản phẩm của hãng General Instruments đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc này, PIC 1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi chomáy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với tên “Peripheral InterfaceController” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảngnăm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC sử dụng microcode đơngiản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bấy giờ,nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu

kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động) Năm 1985 General Instruments bán bộ phận viđiện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án lúc đó quá lỗi thời Tuynhiên, PIC được bổ sung EPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình.Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vitích hợp sẵn (như USART,PWM, ADC…), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word

2.1.2 Vi điều khiển PIC 18F4520:

 Vi điều khiển PIC 18F4520:

Hình 2.1: Vi điều khiển 18F4520

Các đặc điểm cơ bản của PIC18F4520:

 Sử dụng công nghệ nanoWatt: Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít

 Kiến trúc RISC:

+ 75 lệnh mạnh, hầu hết các lệnh thực hiện trong bốn chu kì xung

+ Tốc độ thực hiện lên tới 10 triệu lệnh trong 1s với tần số 40Mhz -Có bộnhân cứng

 Những bộ ngoại vi tiêu biểu:

+ 4 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với các chế độ tỉ lệ đặt trước và chế độ so sánh.+ Bộ đếm thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt

+ 2 kênh PWM

+ 13 kênh ADC 10 bit

+Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình

 Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt

+Bộ so sánh tương tự

 Các đặc điểm đặc biệt khác:

+ Power on Reset và Brown Out Reset

+ Bộ tạo dao động nội RC

+ Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài

 I/O và các kiểu đóng gói:

+ Đóng gói 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, và 44-pad MLF

Hình 2.2:Sơ đồ khối kiến trúc của vi điều khiển

18F4520

Hình 2.3:Sơ đồ chân vi xử lí PIC 18F4520

 Những đặc tính ngoại vi:

 TIMER:

+ Timer0 : 8-bit định thời/đếm với 8-bit prescaler

+ Timer1: 16- bit định thời/đếm với prescaler, có thể được tăng lên trong suốt chế

độ Sleep qua thạch anh/xung clock bên ngoài

+ Timer2: 8-bit định thời/đếm với 8-bit prescaler và postscaler

 Hai module Capture,Compare, PWM:

+ Capture có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12,5ns -Compare có độ rộng 16 bit, độphân giải 200ns

+ Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10 bit

 Có 13 ngõ I/O có thể điều khiển trực tiếp

 Dòng vào và dòng ra lớn:

+ 25mA dòng vào cho mỗi chân -20mA dòng ra cho mỗi chân

 8 kênh của bộ chuyển đổi tương tự sang số(A/D) 10-bit

thế việc lập trình trực tiếp bằng ngôn ngữ máy sử dụng trong các máy tính đầu tiên thường gặp nhiều lỗi và tốn thời gian Việc sử dụng ngôn ngữu Assembler vào lập trình PIC rất đơn giản.

+ Khó viết bởi yêu cầu người lập trình rất am hiểu về phần cứng

+ Khó tìm lỗi sai bao gồm cả cú pháp và sai về thuật toán

+ Không chuyên chương trình Assembler cho các máy tính có cấu trúc khácnhau.

• Ngôn ngữ lập trình C:

Ngôn ngữ lập trình C là ngôn ngữu lập trình tương đối nhỏ gọn vận hành gắn với phần cứng và nó giống với ngôn ngữ Assember Ngôn ngữ C còn được đánh giá như là có khả năng di động, cho thấy sự khác nhau quan trọng giữa nó với ngôn ngữ bậc thấp như là Assember C được tạo ra với một mục tiêu làm cho nó thuận tiện để viết các chương trình lớn hơn với số lỗi ít

-Ưu điểm:

+ Tiết kiệm bộ nhớ

+ Câu lệnh được thực hiện nhanh

+ Cho phép người lập trình dễ dàng kiểm soát được những gì mà chương trình đangthực thi

-Nhược điểm:

+ Điều chỉnh bằng tay chậm hơn Assembler

2.1.3 LED 7 đoạn:

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình dạng

số 8 và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải led 7 đoạn 8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -)được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối vớimạch điện

Phân loại:

+ Led 7 đoạn anode chung

+ Led 7 đoạn cathode chungMột số thống số kĩ thuật:

+ Điện áp rơi trên mỗi led nhỏ là 1.4V

+ Dòng điện tối đa chạy qua mỗi led là 25mA

+ Dòng điện bình thường 10mA

2.1.4 SRF05

Hình 2.5:SRF05

Module cảm biến siêu âm SRF05 dùng để đo khoảng cách đến vật chắn bằngsóng siêu âm Module có 2 đầu thu và phát sóng, khoảng cách được xác định bằng cách đo khoảng thời gian mà sóng siêu âm được phát ra từ module truyền đến vật chắn rồi phản hồi về Sử dụng bằng cách truyền 1 xung vào chân trigger của

module, sau đó chờ 1 xung trả về trên chân echo, độ dài của xung phản hồi tương ứng với thời gian của sóng siêu âm truyền trong không khí, từ đó tính ra được khoảng cách đến vật thể chắn

2.2 Tính toán các linh kiện có trong hệ thống:

2.2.1 Tính toán thông số đọc từ cảm biến:

Hình 2.6:Biểu đồ thời gian của SRF05

Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm chính là đo thời gian chân echo ởmức cao

Để đo thời gian chân ECHO ở mức cao có thể dùng một trong các bộ timercủa vi điều khiển

Để đo khoảng cách ta làm các bước như sau:

+ Kích chân TRIGGER: Xuất mức 1 ra chân TRIGGER và delay tối thiểu 10mS.+ Đợi chân ECHO lên mức cao

+ Sau khi chân ECHO lên mức cao, kích hoạt timer

+ Khi chân ECHO xuống mức thấp, dừng timer và tính toán giá trị thời gian từtimer, từ đó suy ra được khoảng cách

 Cách tính khoảng cách từ giá trị đo được:

Gọi S là quãng đường đi của sóng âm,

S=2 x d (với d(cm) là khoảng cách từ sóng âm đến vật) Gọi V là vận tốc

sóng âm: V= 0.0344cm/us T(us) là thời gian truyền, ta có:

2.2.2 Tính toán các điện trở nối LED 7 đoạn:

�

Chọn R=330 Ω

2.2.4 Chọn bộ nguồn cấp điện cho mạch:

+ Dùng adapter 220VAC-5VDC để cấp nguồn cho mạch trong trường hợp mạchgiám sát đặt cố định và gần nguồn điện

3 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM

3.1 Xác định sơ đồ khối của đề tài:

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống

 Nguyên lí hoạt động của từng khối:

+ Khối nguồn: cung cấp nguồn cho hệ thống

+ Khối hiển thị: gồm 1 led 7 đoạn 4 số hiển thị thông số đo được là giá trị khoảngcách Đưa tín hiệu ra đèn xanh đỏ vàng để nhận biết và còi cảnh báo khi đo được khoảng cách xác định

+ Khối cảm biến: phát ra sóng rồi thu về khi có vật cản rồi truyền tín hiệu vào PIC.+ Khối xử lí trung tâm: PIC 18F4520 nhận tín hiệu từ cảm biến từ đó xuất tín hiệu

ra cho khối hiển thị

+ Khối điều khiển: gồm các nút nhấn tương ứng với các công việc

 Nguyên tắc hoạt động chung của hệ thống:

+ Cảm biến (cụ thể là SRF05) phát ra sóng siêu âm truyền đi được trong không khí với vận tốc 343m/s Khi gặp vật cản thì các sóng này phản xạ trở về -PIC đokhoảng thời gian mà sóng đã di chuyển từ lúc phát đến lúc về, sử dụng các công thứ

3.2.2 Khối hiển thị và cảnh báo

3.2.4 Khối xử lý trung tâm

 PIC18F4520

 Thạch anh 4MHz

3.2.5 Khối điều khiển

3.3 Sơ đồ mạch nguyên lí trong proteus:

Hình 3.3:Mô phỏng proteus

3.4 Lưu đồ thuật toán:

3.5 Code chương trình dùng MPLAB IDE

 Thiết lập chiều vào ra của các PORT và Timer1:

WriteTimer1(0);

4 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG

4.1 Thiết kế mạch nguyên lí trên Altium Designer

Hình 4.1:Sơ đồ nguyên lí của mạch trên Altium.

4.2 Thiết kế mạch in trên Altium Designer

Hình 4.2:Ảnh đường dây

Hình 4.4:Hình Ảnh 3D của mạch

5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN

5.1 Trên phần mềm Proteus

Hình 5.1: Hình ảnh thực hiện mạch trên phần mềm Proteus

5.2 Thực hiện làm mạch thực tế

6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

7 Tài liệu tham khảo

[1] Vũ Trung Kiên, Phạm Văn Chiến, Nguyễn Văn Tùng-Trường Đại Học CôngNghiệp Hà Nội (2014),“Giáo Trình Vi Điều Khiển PIC”,Nhà xuất bản Khoa Học

Và Kỹ Thuật

[2] Microchip,“PIC18F2420/2520/4420/4520” Data Sheet,ww1.microchip.com.[3] Trương Ngọc Anh (2018),”Giáo trình vi điều khiển PIC Lý thuyết-Thực hành”,Nhà xuất bản Thanh Niên

[4] Cepe Wiki, Tutorial (2002) – “PIC Programming Basic”, Microchip

[5] Darrel Johansen (2006), “MPLAP SIM”, Microchip Technology

[6] Darrel Johansen (2006), “MPLAP C18”, Microchip Technology Inc

[7] Donald G.Fink,Donald Christiansen (2002), Sổ tay kỹ sư điện tử, Nhà xuất bảnkhoa học và kỹ thuật

[8] Martin P Bates, “Programming 8-bit PIC Microcontrollers in C – with

Interactive Hardware Simultion” Newns

8 PHỤ LỤC

8.1 Hướng dẫn sử dụng sản phẩm

+ Dùng adapter 5V để cấp nguồn 5V vào mạch

+ Dơ tay hoặc dùng 1 vật chắn trước cảm biến SRF05 và quan sát thông số khoảngcách trên LED 7 thanh 4 số (cm)

+ Khi độ dài đạt từng khoảng quy định thì lần lượt đèn báo sẽ sáng và còi sẽ kêu