tìm hiểu và nghiên cứu về sóng siêu âm bằng cách dùng vi điều khiển

Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 1 Lời cảm ơn        2 năm - một khoảng thời gian không quá ngắn, cũng không quá dài đối với chặng đường của mỗi sinh viên chúng em. Đối với em nó thực sự là một kỷ niệm quý báu không bao giờ quên. Qua quá trình học tập và rèn luyện dưới mái trường Đại học Trà Vinh, thầy cô đã tận tình giảng dạy, sự giúp đỡ của bạn bè, sự động viên – nuôi dưỡng của cha mẹ. Thực sự là động lực, hành trang mới đưa em vào đời. Với hành trang này em chân thành biết ơn quý thầy cô ”trường Đại học Trà Vinh” đã hết lòng truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm cho em trong suốt thời gian học tại trường, mang lại cho em một nền tảng kiến thức để em có thể công tác sau này. Em xin chân thành cảm ơn đến Th.S Vũ Thế Đảng. Thầy đã tận tình giúp đỡ và trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian hoàn thành chuyên đề đồ án 2. Em xin chúc quý thầy cô trường Đại học Trà Vinh nói chung, thầy cô khoa Quản trị kinh doanh nói riêng dồi dào sức khỏe, để tiếp bước cho những thế hệ người Việt Nam sau này. Cảm ơn ba mẹ, bạn bè đã giúp đỡ động viên em trong suốt thời gian qua. Trân trọng kính chào ! Bình Dương,ngày 15 tháng 05 năm 2012. SVTH. Đặng Quốc Tuấn Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN        Bình Dương, ngày tháng năm 2012 Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 3 MỤC LỤC Trang PHẦN I: MỞ ĐẦU Chương I: Tổng quan 1.Đặt vấn đề 03 2.Tình hình nghiên cứu 03 3.Tầm quan trọng của việc nghiên cứu 04 PHẦN II: NỘI DUNG Chương II: Cơ sở lý thuyết: giới thiệu sơ lược về sóng siêu âm 1.Sóng siêu âm là gì 05 1.1Một số loại cảm biến siêu âm 05 1.2 Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF 05 1.3 Tầm quét của cảm biến siêu âm 06 1.4 Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm 06 2. Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF 06 3. Các dòng pic và cách lựa chọn vi điều khiển pic 16F877A Chương III: Thiết kế phần cứng: cảm biến siêu âm HC-SR04 và vi điều khiển 16F877A 1.Cảm biến siêu âm HC-SR04 và đặc điểm kỹ thuật 09 1.1 Giới thiệu 09 1.2 Thông số kỹ thuật 09 1.3 Tính toán khoảng cách 1.4 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm của HC-SR04 10 2. Sơ lược về các chân của Pic 16F877A 11 3. Giao tiếp giữa cảm biến siêu âm HC-SR04 và vi điều khiển 16F877A 13 4. Ứng dụng của cảm biến siêu âm HC-SR04 19 PHẦN III: Kết luận 21 Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 4 PHẦN I: MỞ ĐẦU Chương I : TỔNG QUAN 1 . Đặt vấn đề Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của xã hội, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật. Khi mà các sản phẩm mới liên tục ra đời, những vật liệu nổi trội hơn, công nghệ mới cũng ra đời… Song song đó thì nhu cầu của con người đối với sự tiến bộ của xã hội cũng ngày càng khắc khe hơn. Đặc biệt khi ngành công nghệ số, trí tuệ nhân tạo ra đời nó cũng len lõi mọi lĩnh vực của xã hội. ứng dụng của vi điều khiển vào các ngành công nghệ này là rất lớn. Tuy nhiên để đo được những giá trị của các linh kiện hay thiết bị ta phải sử dụng một thiết bị chuyên dụng đó là đo khoảng cách bằng sóng siêu âm. Trong đề tài này ta chỉ tìm hiểu và nghiên cứu về sóng siêu âm bằng cách dùng Vi điều khiển. Trong quá trình làm đề dù đã rất cố gắng nhưng vẫn không tránh những sai và thiếusót Rất mong nhận được những đóng góp chân thành của quý thầy cô và các bạn để có thể thực hiện tốt hơn cho các lần tiếp theo. 2. Tình hình nghiên cứu: Dựa trên phương pháp nghiên cứu và phân tích đặc tính chức năng của các linh kiện điện tử cơ bản ( transistor, điện trở, tụ điện, ) các IC số (đếm, giải mã, ) và áp dụng kiến thức đã học, những tài liệu đọc được trên tạp chí, sách, và internet và với sự hướng ẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn để xây dựng lên một mạch có chức năng đo khoảng cách, hoạt động tốt và đúng với yêu cầu đề tài. 3. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu Mạch đo khoảng cách bằng song siêu âm thuộc đề tài đồ án 2, đây cũng là nghiên cứu và giúp em làm quen với việc làm đồ án 2, làm quen với cách học tự nghiên cứu, học tập và làm việc chung với nhóm, giúp sinh viên vận dụng các kiến thức đã học và cùng với sự hướng dẫn của giáo viên để thực hiện tôt mạch 4. Lĩnh vực ứng dụng: - Rô bô con, camera, laser Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 5 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIỚI THIỆU PHẦN SƠ LƯỢC VỀ SÓNG SIÊU ÂM 1/ Sóng siêu âm là gì : Về bản chất, sóng siêu âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng siêu âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm. Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng … Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz. Sóng siêu âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz. 1.1/ Một số loại cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tùy theo công dụng để nhận biết vật trong khoàng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta cũng chế tạo các loại cảm biến siêu âm khác nhau. 1.2/ Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (Time Of Flight) Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với tốc độ khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di truyền tring không gian. Quãng đường đi của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát sóng của siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến đến chướng vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: d=v*t/2. Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 6 1.3/ Tầm quét của cảm biến siêu âm. Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một cánh quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó. 1.4/ / Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm  ƯU ĐIỂM:khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên tới 15m  Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng  Ví dụ:bề mặt kính trong suốt ,bề mặt gốm màu nâu,bề mặt plastic màu trắng hay bề mặt chất liệu nhôm sáng trắng là như nhau  Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách.Điều này đặc biệt lí tưởng cho các ứng dụng như theo dỏi các mức vật chất,mức độ chuyển động cuả đối tượng Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 7  Nhược điểm:cảm biến siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu(giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến)  Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm  Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi.kết quả cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác  Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải quần áo rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn  Cảm biến tiệm cận siêu âm giới hạn bởi khoảng cách phát hiện nhỏ nhất  Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ) áp suất,sự chuyển động không đều của không khí,bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo  Nhiệt độ của bề mặt đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến,hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng,làm cho khoảng cách phát hiện của đối tượng ngắn lại và giá trị khoảng cách không chính xác  Bề mặt phẳng phản hồi năng lượng của sóng âm thanh tốt hơn bề mặt gồ ghề,tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có đòi hỏi khắc khe về vị trí góc tạo thành giữa cảm biến và mặt phẳng đối tượng 2/ Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF. Cảm biến Thông tin Range Angle * Echoes ** Thời gian khác nhau Ghi chú Tối thiểu Tối đa SRF02 I2C/Serial 15cm 6m 45 0 Một 70 ms A SRF04 Kỹ thuật số 3cm 3m 45 0 Một 100µs – 36 ms SRF05 Kỹ thuật số 3cm 4m 45 0 Một 100µs – 36 ms SRF08 I2C 3cm 6m 45 0 17 65 ms BC SRF10 I2C 3cm 6m 60 0 Một 65 ms AB SRF235 I2C 10cm 1,2m 15 0 Một 10 ms AD Chú thích: *: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến. **: Số vang ghi lại bởi cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau. A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04/08) kích thước. B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được. Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 8 C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sang. D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn. 3/ CÁC DÒNG PIC VÀ CÁCH LỰA CHỌN VI ĐIỀU KHIỂN PIC Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:- P I C 1 2 x x x x : đ ộ d à i l ệ n h 1 2 b i t -PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit -PIC18xxxx: đ ộ dài lệnh 16 bit C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM) F: PIC có bộ nhớ flash LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash). Ngoài ra, còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC.Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sảnxuất. Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp: - Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng. Cónhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điềukhiển chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28, 40, 44, … chân. - Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trìnhđược nhiều lần hơn. Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tíchhợp sẵn trong vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong. - Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép. - Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìmthấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp. Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 9 Sơ đồ điều khiển: Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 10 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 1/ Cảm biến siêu âm HC-SR04 và đặc điểm kỹ thuật. 1.1/Giới thiệu. - HC-SR04 là một biến phát triển từ SRF05 được thiết kế để tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. HC-SR04 là hoàn toàn tương thích với SRF05. Khoảng cách được tăng từ 3 mét đến 4 mét. - HC-SR04 cho phép sử dụng một chân duy nhất là cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm được giá trị trên chân điều khiển. - HC -SR04 là tốt chọn. Hiệu suất ổn định và độ chính xác khác nhau, cao làm cho nó một mô-đun phổ biến trong thị trường điện tử. - So với các mô-đun Shap khác nhau, IR, HC-SR04 là rẻ tiền hơn. Nhưng nó có độ chính xác khác nhau, và khoảng cách xa hơn phạm vi. 1.2/ Thông số kỹ thuật: • Nguồn cung cấp: 5V DC • hoạt động gì hiện nay: <2mA • là hiệu quả góc: <15 ° • khác nhau, khoảng cách 2 cm - 500 cm • Độ phân giải: 0,3 cm [...]... tính để đo khoảng cách 3 Hướng phát triển của đề tài: - Cảm biến siêu âm HC-SR04 là loại được cấu thành từ hai bộ phận: bộ phận phát sóng âm và bộ phận thu sóng âm Ứng dụng của HC-SR04 được sử dụng rộng rãi, dùng để nhận biết các vật trong khoảng cách từ 2cm đến 5m và đo khoảng cách của vật - Cảm biến siêu âm HC-SR04 có khả năng kết nối với các vi điều khiển tạo thành vi mạch điều khiển, ứng dụng của... phát và nhận phản hồi sóng âm của HC-SR04 - Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh có truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại Để tình thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được tính bằng khoảng cách tới đối tượng Xung âm thanh tạo ra bởi HCSR04 là siêu âm, nghĩa là ở trên phạm vi nhận... nhập số/ điều khiển ghi port song song/ n gõvào tương tự kênh thứ 6 - Chân RE2/ /AN7(10): xuất nhấp số/ Chân chọn lụa điều khiển port songsong/ ngõ vào tương tự kênh thứ 7 - Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là các chân nguồn của PIC 3/ Giao tiếp giữa vi điều khiển PIC 16F877A với cảm biến HC-SR04 - Các cảm biến siêu âm HC-SR04 cần một mạch đơn giản: nguồn 5V, một đầu vào tính hiệu kích hoạt và đầu ra phản... cũng không phải là một đề tài mới nhưng thông qua vi c tìm hiểu và thực hành về đề tài này em có cơ hội vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế, từ đó rút ra được nhiều kinh nghiệm trong thực tế - Qua đề tài này em đã có thêm một phần kiến thức bổ ích vào trong chuyên ngành học tập của mình, hiểu biết nhiều hơn về môn học vi điều khiển, từ lý thuyết và thực hành đã kết hợp với nhau hoàn thành tốt... năng này được sử dụng trong một rôbốt do đường tránh chướng ngại vật và đo khoảng cách - Ngày nay, người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển vi c chế tạo các rôbốt có gắn cảm biến siêu âm đồng thời với các cảm biến khác như laser, camera….kết hợp với các công nghệ của vi n thông như GPS, GSM nhằm nâng cao độ chính xác trong vi c định vị cũng như thăm dò một khoảng không gian nào đó để xây dựng... quả đạt được - Hệ thống điều khiển tương đối ổn định, đáp ứng được yêu cầu của đề tài - Giám sát được quá trình đo khoảng cách qua khối hiển thị LCD - Cảm biến đọc thông số khoảng cách tương đối chính xác - Phần mềm chương trình tương đối dễ hiểu, đơn giản 2 khuyết điểm và hướng khắc phục: - Đọc thông số khoảng cách chưa tuyệt đối chính xác - Trong công nghiệp các cảm biến siêu âm cũng có thể gặp phải... nhập số/ ngõ vào tương tự củakênh thứ 2/ nhõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn caocủa bộ AD - Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vàođiện áp chuẩn (cao) của bộ AD - Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoàicho Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1 - Chân RA5/AN4// C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào t ư ơ n g t ự k ê n h 4 / ngõ vào chọn lựa... và đầu ra phản hồi Bộ cảm biến được kết nối với một PIC 16F877A cho đầu vào, đầu ra tính toán khoảng cách - Danh sách phần cứng để kết nối Siêu âm HC-SR04 PIC 16F877A Vi xử lý Nguồn điện 5V LCD crystal SV: Đặng Quốc Tuấn MSSV: 120710029 Page 15 Đồ án 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Sơ đồ dây nối cảm biến siêu âm HC-SR04, pic 16f877a và LCD 5V Devantech HC-SR04 Ultrasonic Range Finder mass s SV: Đặng Quốc... Th.S Vũ Thế Đảng 1.3/ Tính toán khoảng cách Có 4 chân ra khỏi các mô-đun: VCC, Trig, Echo, GND Vì vậy, đó là một giao diện rất dễ dàng cho bộ điều khiển để sử dụng nó khác nhau Quá trình tất cả là: kéo pin Trig mức độ cao hơn 10us xung, mô-đun khác nhau, bắt đầu, kết thúc khác nhau, Nếu bạn tìm thấy một đối tượng ở phía trước, Echo pin cao cấp, và dựa vào khoảng cách khác nhau, nó sẽ thời gian khác nhau... RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer1/ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1 - Chân RC1/T1OSI/CCP2(16) : xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2 - Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1 ,ngõ ra compare1, ngõra PWM1 - Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI./ ngõ vào xung clock nối tiếp . bằng sóng siêu âm. Trong đề tài này ta chỉ tìm hiểu và nghiên cứu về sóng siêu âm bằng cách dùng Vi điều khiển. Trong quá trình làm đề dù đã rất cố gắng nhưng vẫn không tránh những sai và thiếusót. PHẦN SƠ LƯỢC VỀ SÓNG SIÊU ÂM 1/ Sóng siêu âm là gì : Về bản chất, sóng siêu âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng siêu âm bằng cách tác động. 3. Các dòng pic và cách lựa chọn vi điều khiển pic 16F877A Chương III: Thiết kế phần cứng: cảm biến siêu âm HC-SR04 và vi điều khiển 16F877A 1.Cảm biến siêu âm HC-SR04 và đặc điểm kỹ thuật