Thiết kế hệ thống đo khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại

Chính vì thế ở ñây tôi ñề xuất việc thiết kế chế tạo một hệ thống ño khoảng cách sử dụng “Cảm biến hồng ngoại” tích hợp trên một cơ cấu chuyển ñộng có thể ñiều khiển ñược, với mục ñích ñ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

 

ðINH THẾ HẢI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO KHOẢNG CÁCH

SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn

Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – 2012

Trang 2

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học nào trước ñó

Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

ðinh Thế Hải

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, trường ðại học Bách khoa Hà Nọi Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật

với ñề tài: “ Thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại”

Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TSKH Trần Hoài Linh ñã tận tình hướng dẫn và tạo

mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa cơ ñiện, Viện sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn

Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu

Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng viên khích lệ ñể hoàn thành luận văn này

Hoà Bình , tháng 9 năm 2012

Tác giả

ðinh Thế Hải

Trang 4

môc lôc

MỞ ðẦU 1

1 ðặt vấn ñề 1

2 Nội dung nghiên cứu 1

2.1 Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng gồm: 2

2.2 Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau: 2

2.3 Tìm hiểu về các cảm biến ño khoảng cách bằng siêu âm 2

2.4 Tìm hiểu về một số cảm biến ño khoảng cách bằng hồng ngoại 3

3 Phương pháp nghiên cứu 4

4 Phạm vi ứng dụng 4

5 Giới thiệu về các chương mục của luận văn 4

Chương I: GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ðO KHOẢNG CÁCH VÀ MỘT SỐ CÁC CẢM BIẾN ðO KHOẢNG CÁCH 7

1.1 Bài toán ño khoảng cách 7

1.2 ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm 8

1.2.1 Sơ ñồ nguyên lý chung 9

1.2.2 Nguyên lý ño 9

1.2.3 Tầm quét của cảm biến siêu âm 10

1.2.4 Thông số của một số loại cảm biến siêu âm 11

1.3 ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài 11

1.3.1 Vật liệu và tia hồng ngoại 11

1.3.2 Cơ sở vật lý 12

1.3.3 Một số loại cảm biến hồng ngoại 12

1.3.4 Cảm biến hồng ngoại GP2D12 13

Chương II: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH BẰNG CẢM BIẾN ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC 18

2.1 Lý do lựa chọn giải pháp 18

Trang 5

2.2 Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ựỡ dịch

chuyển 19

2.2.1 Nguyên lý phần cơ khắ 20

2.2.2 Nguyên lý phần điện ựiều khiển 21

Chương III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ đO KHOẢNG CÁCH VỚI đẦU đO DỊCH CHUYỂN đƯỢC 25

3.1 Sơ ựồ khối và chức năng các khối 25

3.1.1 Sơ ựồ khối 25

3.1.2 Chức năng các khối 25

3.2 Lựa chọn và thiết kế khối Vi xử lý trung tâm 26

3.2.1 Tổng quan về vi ựiều khiển 26

3.2.2 đánh giá các dòng vi ựiều khiển PIC 26

3.2.3 Vi ựiều khiển PIC16F886 27

3.3 Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến và ADC 33

3.3.1 Khối cảm biến 33

3.3.2 Chuyển ựổi ADC 34

3.4 Lựa chọn và thiết kế khối ựiều khiển ựộng cơ bước 38

3.4.1 động cơ bước 38

3.4.2 Mạch ựiều khiển ựộng cơ bước 40

3.5 Lựa chọn và thiết kế khối LCD 41

3.6 Lựa chọn và thiết kế khối các phắm ựiều khiển 43

3.6 Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông RS-232 44

3.7 Các khối khác trong hệ thống 46

3.7.1 Khối nguồn 46

3.7.2 Khối công tắc hành trình 46

3.7.3 Khối còi tắn hiệu 47

3.8 Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 48

3.8.1 Mạch nguyên lý tổng thể 48

3.8.2 Các khối trong sơ ựồ và phần mềm thiết kế 49

3.8.3 Thuật toán hoạt ựộng 50

Trang 6

3.9 Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý 51

3.9.1 Tổng quan về CCS 51

3.9.2 Giới thiệu về CCS 52

3.9.3 Giao diện của CCS 52

3.10 Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC 58

Chương IV: CÁC KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 59

4.1 Mạch phần cứng 59

4.1.1 Mạch phần cứng phần ñiện 59

4.1.2 Mạch phần cứng cơ khí 62

4.2 Phần mềm vi xử lý 64

4.2.1 File Project (main.Pjt) 65

4.2.2 File.c (main.c) 65

4.2.3 File *.h 65

4.2.4 Cài ñặt khoảng cách ño của cảm biến 68

4.2.5 Kết luận 69

4.3 Phần mềm tích hợp trên PC 69

4.3.1 Cài ñặt cáp với PC 69

4.3.3 Thao tác kết hơp Terminal với Hệ thống ño và PC 69

4.4 Các kết quả thử nghiệm 71

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 72

1 Kêt luận 72

2 ðề nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

Trang 7

danh môc b¶ng

Bảng 1.1 Thông số của một số cảm biến siêu âm 11

Bảng 2.1: Giá một số cảm biến ño khoảng cách thông dụng 18

Bảng 3.1: Mô tả chức năng các chân của vi ñiều khiển PIC16F886 29

Bảng 3.2: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã 36

Bảng 3.3: Các chân và chức năng trên ñầu nối cổng loại 9 chân 45

Trang 8

Danh môc h×nh

Hình 1.1: Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách 7

Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm 9

Hình 1.3: Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm 9

Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm 10

Hình 1.5: Hình ảnh của GP2D12 13

Hình 1.6: Sơ ñồ khối nội bộ của GP2D12 13

Hình 1.7: Giản ñồ trạng thái của GP2D12 14

Hình 1.8: Khác góc và khác khoảng cách 15

Hình 1.9: Tín hiệu ra 15

Hình 1.10: ðường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức ñiện áp ra của GP2D12 16

Hình 1.11: Một cách bố trí cảm biến 16

Hình 1.12: Tăng góc quay quan sát của cảm biến 17

Hình 1.13: Bố trí tụ lọc giữa output và ground của GP2D12 17

Hình 2.1: Nguyên lý chung phần cơ khí 20

Hình 2.2: Kết cấu cơ khi bánh răng và thanh răng 21

Hình 2.3: Kết cấu giữa trục ñỡ và thanh ray 21

Hình 2.4: Tính toán chiều khoảng cách dịch chuyển 22

Hình 2.5: Vị trí ban ñầu của hệ thống ño 23

Hình 2.6: Xác ñịnh khoảng cách ño 24

Hình 3.1: Sơ ñồ khối và các khối chức năng thiết bị ño 25

Hình 3.2: Sơ ñồ chân vi ñiều khiển PIC16F886 27

Hình 3.3: Cấu trúc vi ñiều khiển PIC16F886 28

Hình 3.4: Sơ ñồ thiết kế mạch vi xử lý trung tâm 32

Hình 3.5 Sơ ñồ khối cảm biến 33

Hình 3.6 Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh 35

Hình 3.7: Analog và digital của hàm sin .37

Hình 3.8: ðộng cơ bước nam châm vĩnh cửu 6 ñầu dây ra 38

Hình 3.9: Sơ ñồ mạch ñiều khiển ñộng cơ bước 40

Hình 3.10: Sơ ñồ khối bên trong IC L293D 40

Trang 9

Hình 3.11: Hình ảnh IC L293D 41

Hình 3.12: Thiết kế khối LCD 42

Hình 3.13: Nút bấm SW1 43

Hình 3.16: Khối truyền thông RS232 44

Hình 3.17 Khối nguồn 46

Hình 3.18 Khối công tắc hành trình 46

Hình 3.19 Khối còi tín hiệu 47

Hình 3.20: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị 48

Hình 3.21: Tab General trong giao diện CCS 53

Hình 3.22: Tab Communications trong giao diện CCS 54

Hình 3.23: Tab SPI and LCD trong giao diện CCS 55

Hình 3.24: Tab Timer trong giao diện CCS 55

Hình 3.25: Tab Analog trong giao diện CCS 56

Hình 3.26: Tab “Other” trong giao diện CCS 56

Hình 3.27: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57

Hình 3.28: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57

Hình 4.1 Thiết kế của mạch in mặt phía trên (a) và mặt phía dưới (b) 59

Hình 4.2 Mạch in hình thiết bị mặt trên 60

Hình 4.3 Mạch in hình thiết bị cả mặt trên và mặt dưới 60

Hình 4.5 Mạch in 3D 61

Hình 4.6 Ảnh mạch ñiện phần cứng hoàn thiện 61

Hình 4.7 Màn hình LCD 16x2 sau khi ñã kết nối với phần cứng mạch ñiện 62

Hình 4.8 Kết cấu giữa ñộng cơ bước và thanh răng 63

Hình 4.9 Kết cấu giữa thanh răng và máng trượt 63

Hình 4.10 Ảnh tổng thể thiết bị mặt trước 64

Hình 4.11 Ảnh tổng thể thiết bị mặt bên 64

Hình 4.12 Khởi ñộng Terminal 70

Hình 4.12 Chọn cổng COM và connect 70

Trang 10

MỞ ðẦU

1 ðặt vấn ñề

Vấn ñề ño khoảng cách trong thực tế hiện nay có rất nhiều phương pháp ño và cách ño khác nhau Việc thiết kế hệ thống ño khoảng cách một cách tự ñộng là một trong những phương pháp ño ñược ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến hiện nay, nhưng vẫn phải ñảm bảo ñược các yêu cầu như ñộ chính xác, linh hoạt, ñảm bảo ñược yêu cầu về ứng dụng trong lĩnh vực cần ño Ngoài ra còn phải phù hợp với bài toàn kinh tế ñối với thiết bị khi lựa chọn và thiết kế Chính vì thế ở ñây tôi ñề xuất việc thiết kế chế tạo một hệ thống ño khoảng cách sử dụng “Cảm biến hồng ngoại” tích hợp trên một cơ cấu chuyển ñộng có thể ñiều khiển ñược, với mục ñích ño khoảng cách và tăng khoảng cách ño ñể giảm giá thành của thiết bị ño

Tôi rất trân trọng cảm ơn PGS-TSKH Trần Hoài Linh ñã trực tiếp, nhiệt tình chỉ bảo hướng dẫn ñể tôi thực hiện ñề tài này một cách có hiệu quả trong quá trình thiết kế và triển khai ñề tài

2 Nội dung nghiên cứu

Thực tế trên thị trường nước ta hiện nay có rất nhiều hệ thống ño khoảng cách như phát hiện chướng ngại vật, ño mức chất lỏng v.v… ñặ biệt là các thiết bị ño nhỏ

và gọn có thể di chuyển lắp ñặt ở các vị trí ñịa ñiểm cần ño và kiểm tra trong quá trình thực hiện

Mặc dù vậy cũng có một số giải pháp và các công nghệ ño ñưa ra ñể áp dụng vào thiết bị ño trong thời ñiểm hiện nay còn một số hạn chế nhất ñịnh như:

– Khoảng cách ño hạn chế

– Giá thành sản phẩm khá cao khi mở rộng khoảng cách ño

Thực tế ñặt ra nhiệm vụ thiết kế, chế tạo hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng có thể ñiều khiển ñược ñể nhằm ñáp ứng ñược những vấn ñề trên và nhu cầu thực tế hiện nay

Các nhiệm vụ ñặt ra trong luận văn

Trang 11

2.1 Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng gồm:

• Mạch ñiện phần cứng

• Thiết kế cơ cấu chuyển ñộng bằng cơ khí

• Hệ thống ño có kích thước nhỏ gọn (có kích thước không lớn hơn

• Có các phím chức năng ñể thiết lập và ñặt lại chế ñộ ño

• Tính linh hoạt cao (có thể thay ñổi cấu hình phần cứng bằng cách thay ñổi các cảm biến có các khoảng cách cảm nhận khác nhau hoặc cảm biến siêu âm)

• Thiết bị và hệ thống ño sử dụng nguồn 5V

• Lưu giữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của thiết bị và với máy tính

2.2 Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau:

• Tự ñộng kết nối thiết bị ño với máy tính

• ðồng bộ dữ liệu ño lên máy tính và lưu vào cơ sở dữ liệu

• Có thể tìm kiếm ñược các thông tin trong cơ sở dữ liệu

• Giao diện phần mềm lập trình ñơn giản, trực quan với người sử dụng và quan sát

2.3 Tìm hiểu về các cảm biến ño khoảng cách bằng siêu âm

• FRS02: Cảm biến ño cự li từ xa bằng sóng siêu âm

• FRS04: Cảm biến siêu âm ño khoảng cách

• FRS05: Cảm biến siêu âm

• FRS10: Cảm biến siêu âm kích thước bé

• FRS235: Cảm biến “ñầu bút chì”

Trang 12

2.4 Tìm hiểu về một số cảm biến ño khoảng cách bằng hồng ngoại

Tín hiệu ra 0 hoặc 1 dựa trên ngưỡng khoảng cách từ xa

Tầm ño 10cm÷80cmñiều chỉnh ngưỡng tích hợp với ñiện thế nhỏ

Cách ño ñọc và ñược kích hoạt bởi một ñồng hồ bên ngoài

Dòng ON ~25mA, dòng OFF ~2µA

Tín hiệu ra dưới dạng số Digital (0 hoặc 1)

Tầm ño khi chế tạo cảm biến này giá trị cài ñặt khoảng cách là 24cm

Cách ño ñọc liên tục giá trị ño với thời gian là ~38ms mỗi lần ñọc

Dòng ON ~25mA Khoảng cách cảm nhận của các thiết bị ño phụ thuộc vào các cảm biến, mỗi một cảm biến có một khoảng cách cảm nhận khác nhau Thông thường các cảm biến hồng ngoại có một bộ phát và một bộ thu bằng hồng ngoại

Khi bộ phát phát ánh sáng hồng ngoại gặp chướng ngại vật phản xạ ngược trở lại bộ thu cảm nhận ñược, và khoảng cách từ cảm biến tới vật ñược tính bằng 1 2

quãng ñường ánh sáng hồng ngoại ñi từ bộ phát ñến bộ thu

Trang 13

– Nghiên cứu và ñề xuất giải pháp ghép ñầu ño trên cơ cấu chuyển ñộng ñiều khiển ñược ñể mở rộng khoảng cách ño:

– Cảm biến hồng ngoại ñược tích hợp, nối cứng trên một thanh chuyển ñộng ñược gắn một thanh răng

– ðối tượng ñiều khiển là ñộng cơ bước, trên trục ñộng cơ có gắn bánh răng ăn khớp với thanh răng trên cơ cấu chuyển ñộng

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết ñể tìm ra các giải pháp từ ý tưởng ban ñầu

- Sử dụng các thiết bị trong quá trình thiết kế nghiên cứu thực tế từng thiết bị cụ thể ñể thống nhất trong quá trình kết nối

- Xây dựng thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại, khảo sát các kết quả thực tế của thiết bị và ñiều chỉnh

4 Phạm vi ứng dụng

- Trong công nghiệp

- Trong nông nghiệp

- Các lĩnh vực trong ñời sống

- Sử dụng mô hình vào lĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống ño mức nước tự ñộng

5 Giới thiệu về các chương mục của luận văn

Chương I (Giới thiệu về bài toán ño khoảng cách và một số cảm biến ño khoảng cách) nêu lên sơ ñồ ý tưởng của bài toán ño khoảng cách trong luận văn và các loại cảm biến ño khoảng cách thường sử dụng trong thực tế hiện nay, chủ yếu tìm hiểu về cấu tạo cơ bản, nguyên lý và thông số của cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại ðồng thời tìm hiểu về giá thành một số cảm biến trên thị trường hiện nay

Dựa vào sơ ñồ ý tưởng của bài toán ño khoảng cách, thông số của các cảm biến cũng như giá thành các cảm biến ñể lựa chọn một cảm biến thích hợp ñể thiết

kế một hệ thống ño khoảng cách theo yêu cầu của luận văn ñảm bảo tăng ñược khoảng cách ño và bài toán kinh tế Trong chương II gồm các nội dung sau:

– Bài toán ño khoảng cách

– ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

Trang 14

– ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài

Chương II (Phân tích giải pháp thiết bị ño khoảng cách bằng cảm biến có ñầu

ño dịch chuyển ñược) giới thiệu lý do ñể từ ñó lựa chọn một giải pháp thích hợp trong việc thiết kế, chủ yếu là bài toán kinh tế trong việc tăng khoảng cách ño nhưng vẫn ñảm bảo giá thành của sản phẩm thiết bị khi thiết kế Trong quá trình thiết kế dựa trên hai nguyên lý cơ bản là nguyên lý phần cơ khí và nguyên lý phần ñiện, ñây là hai nguyên lý ñể phối hợp cảm biến với hệ thống dịch chuyển ñể tăng khoảng cách ño Trong chương II gồm các nội dung sau:

– Lý do lựa chọn giải pháp

– Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch chuyển Chương III (Thiết kế thiết bị ño khoảng cách với ñầu ño dịch chuyển ñược) ñưa ra sơ ñồ khối chức năng tổng thể của thiết bị dựa vào sơ ñồ khối phân tích lựa chọn và thiết kế từng khối trong sơ ñồ Sau khi ñã thiết kế các khối và ñi ñến thiết

kế tổng thể mạch thiết bị dựa trên các khối ñã thiết kế theo sơ ñồ các khối chức năng Phần cứng các khối ñã thiết kế và lựa chọn song tiếp tục phân tích ñể lựa chọn phần mềm lập trình trên Vi xử lý và phần mềm trên PC Trong chương IV gồm các nội dung sau:

– Sơ ñồ khối và chức năng các khối

– Lựa chọn và thiết kế Vi xử lý

– Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến khoảng cách

– Lựa chọn và thiết kế khối dịch chuyển bằng ñộng cơ bước

– Lựa chọn và thiết kế khối hiển thị bằng màn hình LCD

– Lựa chọn và thiết kế khối phím bấm

– Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông

– Lựa chọn và thiết kế khối bộ nhớ

– Thiết kế tổng thể mạch thiết bị

– Phân tích và thiết kế phần mềm Vi xử lý

– Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC

Chương IV (Các kết quả triển khai) ñưa ra các hình ảnh của thiết bị trong quá trình thiết kế như mạch in của thiết bị và phần cơ khí sau khi ñã tích hợp cảm biến

Trang 15

trên cơ cấu thanh ray dịch chuyển bởi ñộng cơ bước Chương trình ñiều khiển viết bằng ngôn ngữ lập trình C cho vi ñiều khiển gồm chương trình chính, chương trình ñiều khiển ñộng cơ bước, chương trình ñiều khiển màn hình LCD hiển thị kết quả

ño ðo và ñưa ra một số kết quả gồm các thông số khoảng cách ñã thực hiện Trong chương V gồm các nội dung sau:

Trang 16

Chương I: GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ðO KHOẢNG CÁCH VÀ

MỘT SỐ CÁC CẢM BIẾN ðO KHOẢNG CÁCH

1.1 Bài toán ño khoảng cách

Các cảm biến ño khoảng cách nói chung ñều có khả năng thiết kế ño khoảng cách kết hợp với các bộ ñiều khiển lập trình như PLC,Vi xử lý… nhưng cũng tuỳ thuộc vào từng ñối tượng ño, ñiều kiện ño và bài toán kinh tế ta có thể lựa chọn cảm biến tương ứng mà vẫn ñảm bảo ñược yêu cầu về bài toán ño khoản cách

Nếu ño với khoảng cách nhỏ, ñơn giản, ta có thể lựa chọn ño khoảng cách bằng cảm biến ñiện trở, cảm biến ñiện cảm hoặc cảm biến ñiện dung

ðể ño khoảng cách lớn hơn, sử dụng cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại Với các cảm biến có khả năng ño khoảng cách càng xa thì giá thành càng lớn Muốn thực hiện việc ño khoảng cách lớn nhưng vẫn ñảm bảo ñược bài toán kinh tế là dùng các cảm biến có khoảng cách cảm nhận nhỏ, ta ñưa ra bài toán và một giải pháp tích hợp ñầu ño của cảm biến trên một cơ cấu dịch chuyển có thể ñiều khiển ñược ñể tăng khoảng cách cảm nhận

Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách

Hình 1.1: Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách

trong ñó:

d1 - khoảng cách cảm nhận của cảm biến,

d2 - khoảng cách xác ñịnh gián tiếp từ vị trí ñộng cơ bước (khoảng cách từ vị trí của ñộng cơ bước tới cảm biến, cũng là vị trí từ thiết bị ño tới vị trí của cảm biến)

Trang 17

Khoảng cách mà cảm biến xác ñịnh và trả về kết quả là khoảng cách d1 khi ñó khoảng cách từ thiết bị ño tới ñối tượng ño là d1+d2 Cảm biến cảm nhận các giá trị thay ñổi và trả về thiết bị ño, thiết bị ño ñọc các giá trị này và ñiều khiển ñộng cơ bước, thiết bị ño và ñiều khiển sử dụng Vi ñiều khiển PIC

Khi thiết kế các hệ thống ño khoảng cách có nhiều giải pháp ño kết hợp với các thiết bị ño như sử dụng các cảm biến sau:

– Cảm biến ñiện cảm

• Cảm biến ñiện cảm dùng con chạy cơ học

• Cảm biến ñiện cảm không dùng con chạy cơ học – Cảm biến ñiện dung

• Cảm biến tụ ñơn

• Cảm biến tụ kép vi sai

• Cảm biến mạch ño – Cảm biến quang

1.2 ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

Siêu âm là một sóng ñược ứng dụng rộng rãi trong việc ño khoảng cách và ñịnh vị vật thể Có nhiều phương pháp ño, cũng có thể ñánh giá ñược khả năng không gian bị chiếm bởi vật thể cần xác ñịnh (phương pháp sử dụng công thức xác suất toàn phần theo mô hình Bayes) và tỉ lệ chiếm giữa các ô lưới trên bản ñồ nhằm xác ñịnh vị trí xác suất cao nhất có vật thể

Trang 18

ðo khoảng cách ñều ñược xác ñịnh từ việc phát sóng siêu âm truyền ñi, gặp vật

và có sóng siêu âm phản xạ trở lại bộ phận thu sóng ñể xác ñịnh khoảng cách từ cảm biến tới vị trí vật cần xác ñịnh

1.2.1 Sơ ñồ nguyên lý chung

Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm

1- Bộ biến âm 2- ðế nhựa tổng hợp 3- Phần giảm âm 4- Cáp ñiện 5- Vỏ kim loại 6- Vỏ bọc

1.2.2 Nguyên lý ño

Sóng siêu âm ñược truyền ñi trong không khí với vận tốc 343m/s Nếu một cảm phát hiện ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, ñồng thời ño ñược khoảng thời gian từ lúc phát ñi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác ñịnh ñược quãng ñường mà sóng truyền

ñi trong không gian Quãng ñường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của cảm biến siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật ñược tính theo nguyên lý TOF:

Trang 19

1.2.3 Tầm quét của cảm biến siêu âm

Tầm quét của cảm biến siêu âm có thể ñược mô hình hoá bởi một hình quạt

Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm

Khi sóng siêu âm phát ra và thu về cảm biến siêu âm một cách gián tiếp, cho

ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến Khi ño dường như trên quãng ñường ñi từ cảm biến ñến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất

cứ cản vật nào và ñâu ñó xung quanh vị trí mà cảm biến cảm nhận ñược có một chướng ngại vật Và vì thế cảm biến siêu âm có thể ñược mô hình hoá thành một hình quạt, trong ñó các ñiểm ở giữa gần như không có chướng ngại vật, còn các ñiểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật ở nằm ở ñâu ñó

Như vậy khi phát và thu sóng siêu âm ta ghi nhận ñược một véc tơ ñịnh vị, với hướng là hướng của cảm biến và ñộ lớn là khoảng cách từ cảm biến ñến chướng ngại vật Và khi ño nếu ta nói cảm biến ghi nhận một véc tơ (giả sử 100cm) theo hướng theta, có nghĩa là trong khoảng từ cảm biến tới chướng ngại vật theo hướng theta dường như không có vật cản nào và chướng ngại vật nằm ở ñâu ñó cách cảm biến theo hướng phát của cảm biến (theta) một khoảng là (100cm)

Hình 2.4 chỉ ra rằng nếu có vật nằm trong tầm quét của cảm biến siêu âm, thì vùng quét của siêu âm có thể ñược phân ra làm ba vùng Vùng 1 là vùng phía ngoài hình quạt là vùng dường như có vật cản nào ñó Vùng 2 là vùng gần tâm quạt, dường như không có vật cản nào Vùng 3 là vùng còn lại sau vật cản cho ñến vị trí

Trang 20

xa nhất trong tầm quét của cảm biến siêu âm, ñây là vùng chưa biết, vì siêu âm không thể nhìn xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này

1.2.4 Thông số của một số loại cảm biến siêu âm

Bảng 1.1 Thông số của một số cảm biến siêu âm

Khoảng ño Cảm

biến Thông tin Tối ña Tối thiểu

Góc

*

Số lần vang

**

Thời gian

Ghi chú

* Ước tính góc hình nón cảm biến ở 1 2 cảm biến

** Số lần vang ghi lại bởi cảm biến ðây là những tiếng vọng ghi ñọc gần nhất

và ñược ghi ñè mới bằng mỗi lần khác nhau

A: Những cảm biến nhỏ hơn (ñiển hình FRS05, FRS04, FRS08)

B: Phạm vi thời gian có thể ñiều chỉnh xuống bằng cách ñiều chỉnh ñược C: Cảm biến này bao gồm một Photocell ở mặt trước ñể phát hiện ánh sáng D: Hoạt ñộng ở một tần số 235kHz cao hơn

1.3 ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài

Hiện nay trên thế giới nhiều loại cảm biến ño khoảng cách bằng tia hồng ngoại

ñã và ñang ñược sử dụng Các cảm biến này ñược ñóng gói nhỏ gọn, tiêu thụ dòng rất ít và nhiều sự lựa chọn cho tín hiệu Output

1.3.1 Vật liệu và tia hồng ngoại

– Tia hồng ngoại tồn tại ở dạng nhiệt ở tất cả mọi nơi, bên trong và bên ngoài vật liệu

Trang 21

– Tia hồng ngoại phát ra từ các vật và con người, trong ñó loài vật và con người phát ra tia hồng ngoại mạnh nhất có ñộ dài bước sóng là 4 mµ

– ðể nhận diện tia hồng ngoại người ta dùng các cảm biến Pyroelectric (hoả ñiện) Cảm biến là các vật liệu tinh thể, sẽ tạo ra ñiện áp khi có sự thay ñổi nhiệt ñộ ở dạng các tia hồng ngoại

1.3.2 Cơ sở vật lý

– Sóng ánh sáng hay sóng hồng ngoại ñều là sóng ñiện từ, truyền ñi trong không khí với vận tốc ánh sáng

– Bước sóng của hồng ngoại: λIR ≥ 0, 7µm

– Bước sóng của ánh sáng khả kiến: 0, 4µm≤λVL ≤ 0, 7µm

1.3.3 Một số loại cảm biến hồng ngoại

ðể ño khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại cũng có thể sử dụng một số các cảm biến như GP2D02, GP2D05, GP2D12, GP2D15 Với mỗi cảm biến có một ñặc ñiểm riêng cũng như khoảng cách cảm nhận và tín hiệu ñầu ra, ta thấy ñể ñiều khiển việc ño khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật và ñọc khoảng cách ño Các chướng ngại vật không phải chỉ ñứng yên mà còn có thể chuyển ñộng trong hoặc ngoài phạm vi cảm nhận của cảm biến Khi chuyển ñộng trong phạm vi cảm nhận của cảm biến thì cảm biến sẽ thu tín hiệu và truyền tới thiết bị xử lý và cho kết quả Vậy tín hiệu này là tín hiệu tương tự (analog)

Vậy ban ñầu từ tín hiệu không ñiện là khoảng cách, cảm biến cảm nhận sự thay ñổi và biến ñổi thành tín hiệu ñiện tương ứng và truyền về thiết bị ño và xử lý Với mục tiêu ñặt ra trong ñề tài này và xét tới các ñặc ñiểm của một số cảm biến ño khoảng cách như trên ta lựa chọn cảm biến hồng ngoại GP2D12 có tín hiệu

ra analog hợp lý Khoảng cách cảm nhận 10cm÷80cm vừa phải ñể lắp ñặt mô hình phần cứng, không quá lớn ñể ảnh hưởng tới bài toán kinh tế

Trang 22

1.3.4 Cảm biến hồng ngoại GP2D12

– Hình ảnh:

Hình 1.5: Hình ảnh của GP2D12

– Sơ ñồ khối nội bộ:

Hình 1.6: Sơ ñồ khối nội bộ của GP2D12 trong ñó các khối chính là: Signal processing circuit (Mạch xử lý tín hiệu), LED drive circuit (Mạch LED), Voltage regulator (Khối ñiều chỉnh ñiện áp), Oscillation circuit (Khối dao ñộng), Output circuit (Khối ñầu ra)

– Giản ñồ trạng thái:

Trang 23

Hình 1.7: Giản ñồ trạng thái của GP2D12

trong ñó: Power supply - Nguồn cung cấp,

Distance measuring operation - Khoảng cách ño hoạt ñộng

First measurement - Phép ño ñầu tiên

Second measurement - Phép ño thứ hai

n-th measurement - Các phép ño tiếp theo

Unstable output - ðầu ra thay ñổi

First output - ðầu ra ñầu tiên

Second output - ðầu ra thứ hai

Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp trắc ñịa tam giác (triangulation)

và một mảng CCD dài mỏng ñể tính toán khoảng cách và sự hiện diện của vật thể trong vùng quan sát

Ý tưởng cơ bản là: một xung của ñèn IR ñược phát ra bởi ñèn phát emitter Tia sáng này sẽ ñi trong trường quan sát hoặc là ñụng vật thể, hoặc là không ñụng vật

Trang 24

thể Trong trường hợp không gặp vật thể, tia sáng sẽ không bao giờ phản hồi về và ñọc là không có vật thể Nếu tia sáng phản xạ lại, có vật thể, cảm biến sẽ thu và tạo

ra một phép trắc ñạc tam giác giữa 3 ñiểm, ñiểm phản xạ, ñiểm phát và ñiểm thu

Trang 25

Hình 1.10: ðường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức ñiện áp ra của GP2D12

Trong ñường cong quan hệ trên, ñầu tiên, tín hiệu output khoảng cách nằm giữa từ vùng 10cm tới 80cm thì không tuyến tính Thứ hai, trên ñường cong có thể chia làm hai vùng, một vùng nhỏ hơn 10cm và vùng từ 10cm tới 80cm Hai vùng này ñược ñặc tuyến khác nhau, nó có thể gây ảnh hưởng tới thiết bị ño nếu di chuyển chậm hoặc tiến lại gần vật thể (ñối tượng) ðể tránh ñiều này thì cảm biến

có thể ñược bố trí như sau:

Hình 1.11: Một cách bố trí cảm biến

Góc chùm của tia hơi nhỏ, vì khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu là 10cm, nếu muốn tăng góc mở, có thể sử dụng kết hợp hai cảm biến hồng ngoại như sau:

Trang 26

Hình 1.12: Tăng góc quay quan sát của cảm biến

Việc sử dụng GP2D12 ñược liên kết bởi 3 dây Những kết nối này là Ground, Vcc và Output Cảm biến sẽ ño khoảng cách và xuất ra Output dưới dạng mức ñiện

áp Analog Bởi vì việc thu ánh sáng xảy ra liên tục nên không cần xung clock (ñây cũng là lý do chính ñể lựa chọn cảm biến hồng ngoại GP2D12 trong thiết kế của luận văn)

Nhưng vì thế mà cũng tốn nhiều năng lượng có thể gây ảnh hưởng tới các thiết

bị ngoại vi khác và bộ xử lý nếu như trên hệ thống có nhiều cảm biến

Trên hệ thống ño khoảng cách ñược lựa chọn và thiết kế theo luận văn này sử dụng 01 cảm biến hồng ngoại gắn trên mộ cơ cấu chuyển ñộng nên khắc phục ñược nhược ñiêm này

Tín hiệu output có các xung gai nhỏ nên cần có thêm tụ lọc giữa output và ground, thường sử dụng tụ 4, 7 Fµ

Hình 1.13: Bố trí tụ lọc giữa output và ground của GP2D12

Trang 27

Chương II: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH BẰNG CẢM BIẾN ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC

2.1 Lý do lựa chọn giải pháp

Xuất phát từ bài toán kinh tế, ñể giảm giá thành của thiết bị ño Sau khi tham khảo giá thành của một số các cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại ñược sử dụng ñể ño khoảng cách Với mỗi một công ty cung cấp sản phẩm và báo giá thì giá của các cảm biến có sự chênh lệch không ñáng kể, sau ñây là một bảng giá tham khảo trên thị trường hiện nay:

Bảng 2.1: Giá một số cảm biến ño khoảng cách thông dụng

Với các cảm biến sử dụng ño khoảng cách lớn như SRF01, SRF08, SRF10,

SRF235 (chất lượng, ñộ chính xác cao), SRF485, SRF485WPR Giá thành các cảm

biến này cao

Các cảm biến sử dụng ño khoảng cách trung bình như SRF01, SRF02, SRF04, SRF05, SRF10MK là các cảm biến siêu âm ño khoảng cách lớn hơn các cảm biến

Trang 28

hồng ngoại như GP2D12, GP2D120, GP2Y0A02YK nhưng so sánh về các thông số tín hiệu vào cũng như tín hiệu ra và một số các thông số khác ðặc biệt hơn là các cảm biên siêu âm thường khó mua hơn nên không thuận tiện cho việc xây dựng và thực thi các thiết bị phần cứng

Nếu so sánh giữa hai cảm biến SRF05 và GP2D12 thì giá thành hai cảm biến này chênh lệch nhau cũng không ñáng kể, cảm biến GP2D12 có khoảng cách ño nhỏ hơn SRF05 rất nhiều, có thể lựa chọn cảm biến SRF05 nhưng sản phẩm này khó mua hơn

Nếu kết hợp cảm biến GP2D12 với một thanh răng và một bánh răng nhỏ ñể gắn vào trục ñộng cơ ñể ñiều khiển biến chuyển ñộng quay của ñộng cơ thành chuyển ñộng tịnh tiến của thanh răng với mục ñích tăng khoảng cách thì giá thành của một thanh răng và một bánh răng ăn khớp với nhau cộng với giá của cảm biến GP2D12 thì cũng tương ñương với giá thành của cảm biến SRF05 hoặc tương ñương với giá của các cảm biến siêu âm khoảng cách trung bình và khoảng cách lớn khác

Quan trọng hơn là với nội dung cũng như mục tiêu ñặt ra trong luận văn thì ñể tìm mua các thiết bị phục vụ cho việc lắp ñặt triển khai thiết bị thực thì các cảm biến hồng ngoại là khả thi hơn rất nhiều

Cũng như nội dụng chương 2 sau khi tìm hiểu vể các cảm biến hồng ngoại và

có sự so sánh về cá thông số của một số cảm biến hồng ngoại ño khoảng cách thông dụng thì việc lựa chọn cảm biến hồng ngoại GP2D12 là hợp lý ñể thiết kế

Vậy từ những lý do trên, trong luận văn tôi lựa chọn giải pháp ñưa ra nguyên

lý thiết kế phối hợp cảm biến ño khoảng cách với một giá ñỡ dịch chuyển ñể tăng khoảng cách ño

2.2 Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch chuyển

Từ sơ ñồ bài toán ño khoảng cách, ta triển khai xây dựng hệ thống với các sơ

ñồ nguyên lý vể ðiện và về Cơ khí như sau:

Trang 29

2.2.1 Nguyên lý phần cơ khí

Hình 2.1: Nguyên lý chung phần cơ khí

Phần cơ khí chính của thiết bị là cơ cấu ñể dịch chuyển ñầu cảm biến theo phương ngang (chuyển ñộng tịnh tiến) dưới sự ñiều khiển của vi xử lý trung tâm của thiết bị ño Cơ cấu này gồm:

– Một bánh răng quay gắn trên một ñộng cơ bước ñể xác ñịnh góc (số bước) ñã quay – Một thanh ray có gắn bánh răng khớp với bánh răng quay ñể chuyển từ chuyển ñộng quay sang chuyển ñộng thẳng

Ngoài ra, hệ thống còn có:

– Công tắc hành trình a1 ñể giới hạn vị trí ban ñầu cho thiết bị ño (vị trí 0) Là vị trí mà ban ñầu hành trình tiến của trục ñỡ có thể dịch chuyển ñược bắt ñầu chuyển ñộng từ vị trí này ñể ñưa cảm biến gắn trên trục ñỡ vươn ra

– Công tắc hành trình a2 ñể giới hạn hành trình tiến của cơ cấu chuyển ñộng khi ñối tượng ño nằm ngoài phạm vi khoảng cách cài ñặt cảm nhận của cảm biến thì cơ cấu này sẽ không chuyển ñộng nữa (giới hạn bởi a2) Vì khi ñối tượng

ñã nằm ngoài phạm vi cảm nhận thì không có cảm biến nào có thể cảm nhận ñược và cảm biến ño khoảng cách cũng không ño ñược khoảng cách này – Kết cấu cơ khí giữa thanh răng gắn trên trục ñỡ và bánh răng gắn trên trục ñộng cơ

Trang 30

Hình 2.2: Kết cấu cơ khi bánh răng và thanh răng

Trong luận văn, ta chọn mô hình nhỏ kích thước nhỏ với thanh răng bằng vật liệu nhựa cứng tổng hợp và dán thanh răng này lên trục ñỡ Chiều rộng của mỗi răng ñược ăn khớp với bánh răng tương ứng trên trục ñộng cơ Bánh răng trên trục ñộng cơ vật liệu kim loại

Trục ñỡ ñược chuyển ñộng tựa trên 1 thanh kim loại di ñộng có gắn bi và trượt trên một thanh ray cố ñịnh là một máng bằng kim loại có thể giữ và cho bi chuyển ñộng kéo theo trục ñỡ dịch chuyển ñể có thể vươn xa Chiều dài của thanh ñỡ ñược lựa chọn tùy theo yêu cầu của thực tế (mô hình của luận văn lựa chọn tạm dùng thanh ray có chiều dài 800mm)

Kết cấu cơ khí giữa trục ñỡ chuyển ñộng ñược với thanh ray cố ñịnh

Hình 2.3: Kết cấu giữa trục ñỡ và thanh ray

2.2.2 Nguyên lý phần ðiện ñiều khiển

Với cảm biến ño khoảng cách thì cảm biến nào cũng cơ giới hạn ño (phạm vi cảm nhận) ðối tượng ño ñặt trong vùng phạm vi cảm nhận thì cảm biến sẽ nhận biết ñược Nhưng thường thì khi ñối tượng nằm trong phạm vi cảm nhận mà càng gần hai biên ñộ giới hạn thấp và cao của khoảng cách cảm nhận thì khi ñó ñộ tuyến tính của mối quan hệ giữa ñại lượng khoảng cách và tín hiệu ra sẽ giảm Vì vậy khi

Trang 31

thiết kế lựa chọn cài ñặt khoảng cách cảm nhận của cảm biến nằm trong phạm vi cảm nhậ phù hợp ñể ñảm bảo ñộ tuyến tính và chính xác các kết quả ño

Cụ thể trong luận văn sử dụng cảm biến hồng ngoại GP2D12 có khoảng cách cảm nhận từ 10cm ñến 80cm Nếu cài ñặt khoảng cách cho cảm biến khi ño trong khoảng từ < 10cm hoặc từ 60cm ñến 80cm thì cảm biến vẫn cảm nhận và ñưa ra tín hiệu ñược nhưng ñộ tuyến tính giảm và ñồ chính xác phép ño không cao

Với cảm biến GP2D12 thông thường khoảng cách cài ñặt cho cảm biến khi ño vảo khoảng từ 10cm ñến 60cm

– Nguyên lý xác ñịnh khoảng cách dịch chuyển của cơ cấu chuyển ñộng:

Tính toán từ số bước mà ñộng cơ bước ñã quay ñể xác ñịnh ñược chiều dài quãng ñường dịch chuyển tương ứng với số bước ñể xác ñịnh khoảng cách ño Gọi số bước mà ñộng cơ quay trong 1 vòng là N (phụ thuộc vào việc lựa chọn khối ñộng cơ bước – Chương IV)

Gọi số răng trong một vòng là n, chính là số răng trên bánh răng ñược gắn cố ñịnh trên trục ñộng cơ (phụ thuộc vào việc lựa chọn bánh răng sao cho ăn khớp với thanh răng và khớp với trục của ñộng cơ bước sau khi ñã lựa chọn ñộng cơ)

Gọi chiều rộng của một răng là l (chính là chiều rộng của một răng trên thanh răng)

Hình 2.4: Tính toán chiều khoảng cách dịch chuyển

Nếu ñộng cơ bước chuyển ñộng ñược x bước thì tương ứng với góc ñã quay là

x

β = ⋅ ∆α

với ∆α−góc quay ñơn vị tương ứng với một bước của ñộng cơ

Khi ñó chiều dài ñã dịch chuyển ñược tương ứng với x bước là

1

d =R⋅β =R x⋅ ⋅ ∆α

Trang 32

với R – bán kính của bánh răng quay

Số bước mà ñộng cơ dịch chuyển ñược chính là số xung lần lượt cấp vào cuộn dây ñộng cơ bước (tốc ñộ ñộng cơ phụ thuộc vào tần số cấp xung hay thời gian chuyển giữa các xung)

– Xác ñịnh khoảng cách thực (kết quả ño)

Yêu cầu ñiều khiển khi bắt ñầu ño thì hệ thống trờ vệ vị trí ban ñầu, bất kể giá

ñỡ dịch chuyển ñang ở vị trí nào bên ngoài nhưng trong phạm vi chuyển ñộng thì trước khi ño ñều ñược trở về vị trí ban ñầu và giới hạn hành trình lùi về vị trí 0 bởi công tắc hành trình a1

Hình 2.5: Vị trí ban ñầu của hệ thống ño

Khoảng cách d21 hoàn toàn xác ñịnh ñược, khoảng cách này là cố ñịnh ñã ñược ñịnh sẵn, chính là khoảng cách từ thiết bị ño ñến cảm biến khi hệ thống ở vị trí ban ñầu Khoảng cách cài ñặt của cảm biến trong khoảng từ 10cm ñến 60cm

Nếu hệ thống ñang ở vị trí ban ñầu mà ñối tượng ñặt trong phạm vi khoảng cách nhỏ hơn khoảng cách cài ñặt (khoảng cách cài ñặt = 10cm-60cm) so với vị trí của cảm biến thì trục ñỡ sẽ không chuyển ñộng mà tự ñộng ñọc kết quả ño, là tổng khoảng cách:

21 1

d =d +d

với:

d21 – khoảng cách từ ñầu cảm biến tới vị trí của thiết bị ño

d1 - khoảng cách ño ñược từ cảm biến tới ñối tượng

Nếu hệ thống ñang ở vị trí ban ñầu mà ñối tượng ñặt bên ngoài phạm vi với khoảng cách cài (khoảng cách cài ñặt = 10cm-60cm) ñặt thì trục ñỡ sẽ chuyển ñộng

Trang 33

tịnh tiến tới khi cảm biến cảm nhận khoảng cách từ vị trí của nó tới ñối tượng bằng khoảng cách cài ñặt thì trục ñỡ dừng lại và ñọc kết quả ño tra về, là tổng khoảng cách

21 22 1

d =d +d +d

với:

d21 – khoảng cách từ ñầu cảm biến tới vị trí của thiết bị ño

d22 – khoảng dịch chuyển tịnh tiến của cảm biến

d1 - khoảng cách ño ñược từ cảm biến tới ñối tượng

Hình 2.6: Xác ñịnh khoảng cách ño

Nếu ñối tượng nằm ngoài khoảng từ 10cm – 60cm hoặc không có ñối tượng thì thiết bị sẽ báo vật thể quá xa ngoài khoảng giới hạn từ 10cm – 60cm thì hệ thống báo vật thể quá xa và không ño ñược,

Trường hợp lý do nào ñó mà hệ thống vẫn dịch chuyển vươn ra xa thì công tắc hành trình a2 có nhiệm vụ giới hạn chuyển ñộng này không ñể hệ thống tiếp tục chuyển ñộng ra xa mãi

Trang 34

Chương III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH VỚI

ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC

3.1 Sơ ñồ khối và chức năng các khối

3.1.1 Sơ ñồ khối

Hình 3.1: Sơ ñồ khối và các khối chức năng thiết bị ño

3.1.2 Chức năng các khối

– Khối vi xử lý trung tâm: ðiều khiển toàn bộ quá trình nhận tín hiệu từ khối

cảm biến, khối phím bấm và gửi tín hiệu tới các khối LCD, ñộng cơ bước,

RS-232 và bộ nhớ ngoài

– Khối cảm biến và ADC: Cảm biến xác ñịnh khoảng cách từ ñối tượng tới cảm

biến và từ tín hiệu khoảng cách chuyển thành tín hiệu ñiện

– Khối ñiều khiển ñộng cơ bước: Gửi tín hiệu ñến ñiều khiển ñộng cơ bước quay

thuận ñể ñưa khối cảm biến vươn ra khi ñối tượng nằm ngoài phạm vi cảm nhận của cảm biến và ñiều khiển ñộng cơ bước về vị trí ban ñầu sau mỗi lần

ño thông qua khối phím bấm ñiều khiển ñặt lại

Khối truyền thong RS232

LCD

ðiều khiển ñộng cơ bước

ADC

Các phím ñiều khiển

Trang 35

Ờ Khối LCD: Hiển thị các thông số khoảng cách khi ựo gồm khoảng cách cơ cấu

ựã dịch chuyển ựược, khoảng cách tổng ựã ựo ựược

Ờ Khối các phắm ựiều khiển: Dùng ựể thực hiện ựặt lại các phép ựo sau mỗi lần

ựo và dùng ựể reset hệ thống

Ờ Khối truyền thông RS-232: Giao tiếp và chuyển dữ liệu lên PC qua cổng COM

3.2 Lựa chọn và thiết kế khối Vi xử lý trung tâm

3.2.1 Tổng quan về vi ựiều khiển

Vi ựiều khiển là một máy tắnh ựược tắch hợp trên một chắp, nó thường ựược sử dụng ựể ựiều khiển các thiết bị ựiện tử Vi ựiều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất ựủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử

lý ựa năng dùng trong máy tắnh)

đối với vi ựiều khiển là khả năng sẵn sàng ựáp ứng về số lượng trong hiện tại

và tương lai Các bộ vi ựiều khiển 8 bắt ựứng ựầu là họ 8051 có số lượng lớn nhất các nhà cung cấp ựa dạng, sáng chế và sản xuất vi ựiều khiển, trong trường hợp họ

8051 nhà sáng chế là Intel, nhưng hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất như Atmel, Philips, ADM, Siemens, Matra và Dallas

Hiện nay có rất nhiều các dòng vi ựiều khiển thông dụng với các ưu ựiểm nổi bật khác nhau nhằm phục vụ cho việc lập trình ựiều khiển các thiết bị ựiện tử trong các hệ thống không chỉ họ 8051 mà còn có các vi ựiều khiển như PIC, AVR

Với nội dung luận văn thì dòng vi ựiều khiển PIC có khả năng ựáp ứng ựủ và hơn nữa, vừa mang tắnh kế thừa các họ vi ựiều khiển cũ và mang tắnh mới thông dụng hiện nay, có nhiều ưu ựiểm nổi bật như hỗ trợ giao tiếp, dung lượng bộ nhớ,

có khả năng thiết kế theo hướng phát triển của luận văn Trong nội dung thiết kế hệ thông ựo khoảng các bằng cảm biến hồng ngoại tôi lựa chọn vi ựiều khiển trung tâm

là dòng vi ựiều khiển PIC

3.2.2 đánh giá các dòng vi ựiều khiển PIC

Ờ Dòng PIC có nhiều chân nhất là dòng PIC18Fxxxx có những con số chân lên ựến 80 chân

Ờ Dòng PIC ắt chân nhất là PIC10Fxxxx, chỉ có 6 chân

Trang 36

– Dòng PIC phổ biến nhất là dòng PIC16F877A số chân 40, ñủ mạnh về tính năng, bộ nhớ ñủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường

– Dòng PIC ñược ñánh giá cao nhất là PIC16F873A, 16F886, 16F876A có 28 chân, chức năng không khác gì so với PIC16F877A, nhưng nhỏ gọn hơn nhiều, hơn nữa số chân cũng không quá ít ñể có thể lập trình ñiều khiển các mạch ñiện tử trong các hệ thống ño lường và ñiều khiển

– Dòng PIC hỗ trợ USB là dòng PIC18F2550 và 18F4550

– Dòng PIC ñiều khiển ñộng cơ mạnh nhất là PIC18F4x31

Với nội dung trong luận văn sử dụng vi ñiều khiển PIC kết nối ñiều khiển ñộng cơ bước, kết nối cảm biến hồng ngoại ño khoảng cắc, kết nối màn hình LCD

ñể hiển thị kết quả ño và một số tín hiệu nút bấm ngoài hoặc reset nên ñể nhỏ gọn tôi lựa chọn vi ñiều khiển PIC16F886 có số chân 28 ñủ ñể ñiều khiển hệ thống ño khoảng cách với yêu cầu trên

3.2.3 Vi ñiều khiển PIC16F886

– Sơ ñồ chân vi ñiều khiển PIC16F886

Hình 3.2: Sơ ñồ chân vi ñiều khiển PIC16F886

Trang 37

- Cấu trúc của vi ñiều khiển PIC16F886

Hình 3.3: Cấu trúc vi ñiều khiển PIC16F886

– Có 24 chân I/O

– Có 11 bộ chuyển ñổi ADC Analog-to-digital converters 8/10 bít

– Các mô ñul Capture/Compare/PWM

– 2 bộ Timer 8 bít, 1 bộ Timer 16 bit

– Hỗ trợ các kiểu giao tiếp: I2C, UART, SPI

Chức năng các chân của PIC16F886: Theo bảng 4.1