BÁO CÁO THỰC TẬP-ĐỊNH VỊ HAI CHIỀU THIẾT BỊ BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

1 MỤC LỤC   NỘI DUNG TRANG MỤC LỤC 1 LỜI MỞ ĐẦU 3 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu về vi xử lý PIC 16F877A 5 1.2 Giới thiệu về SRF05 10 1.2.1 Các chế độ hoạt động của SRF05 11 1.2.2 Tính toán khoảng cách sử dụng SRF05 13 CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ MẠCH VÀ GIẢI THUẬT 2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 15 2.1.1 Các khối chức năng trong sơ đồ mạch nguyên lý 15 2.1.1.1 Khối nguồn 15 2.1.1.2 Khối điều khiển 16 2.1.1.3 Khối hiển thị 16 2.1.1.4 Khối giao tiếp máy tính 17 2.2 Sơ đồ giải thuật 18 2.3 Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch 19 2.4 Một số hàm sử dụng trong Matlab 19 2 CHƯƠNG 3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận- Định hướng phát triển đề tài 21 3 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ra khá tốt đẹp. Trước tình hình đó đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là những thách thức được đặt ra cho giới trí thức. Là sinh viên của một ngôi trường năng động, là công dân của thành phố năng động bậc nhất nước ta, hàng ngày chúng tôi được tiếp xúc với biết bao nhiêu nguồn kiến thức mới từ báo chí, truyền hình, internet… thấy được sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ, thấy được sự phát triển không ngừng của khoa học; khoa học làm cho con người ngày càng văn minh hơn, làm cho cuộc sống con người thoải mái hơn, con người được hưởng thụ nhiều hơn những thành quả mà nhân loại đã làm ra. Và con người ngày càng đào sâu, tìm tòi thêm nhiều cái hay, cái mới, cái tiện ích hơn nữa để phục vụ cho cuộc sống của mình. Thành phố có rất nhiều hoạt động hướng tới thế hệ tương lai, hướng tới thế hệ trẻ. Phong trào Nghiên cứu khoa học trong sinh viên cũng là một trong những hoạt động thường niên của thành phố, nhằm đào tạo và phát triển trí tuệ, óc sáng tạo của thế hệ trẻ. Mà trực tiếp quản lý và hướng dẫn thực hiện là các trường Đại học, Cao đẳng trên toàn thành phố… Đại học Tôn Đức Thắng, một ngôi trường còn khá trẻ, mới thành lập được hơn 10 năm nhưng có rất nhiều hoạt động sôi nổi, là một trong những trường của thành phố có phong trào Nghiên cứu khoa học trong sinh viên phát triển mạnh. Có nhiều đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên nhà trường đạt kết quả cao và tính ứng dụng hiệu quả. Có những đề tài đã được giải thưởng cấp Thành, cấp Bộ… Với những điều nhận thấy được trên đây cộng với phần tò mò muốn tìm hiểu sâu hơn về sóng siêu âm và về các ứng dụng của nó trong thực tiễn nên chúng tôi đã nghiên cứu về đề tài này. 4 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI “ĐỊNH VỊ HAI CHIỀU THIẾT BỊ BẰNG SÓNG SIÊU ÂM” Ngày nay, sóng siêu âm đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực khoa học – kỹ thuật, cũng như trong lĩnh y học. Ứng dụng của nó đã được kiểm chứng thông qua các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn. Chẳng hạn, Rada siêu âm được ứng dụng để thăm dò đáy biển, xác định tàu ngầm do có ưu điểm là ít bị suy hao trong môi trường nước. Ngoài ra, một số ứng dụng khác của sóng siêu âm là giúp phát hiện lỗi của các sản phẩm trong sản xuất công nghiệp, giúp chẩn đoán, phát hiện và chữa bệnh trong y khoa… Do đó, việc tìm hiểu về sóng siêu âm cũng như các ứng dụng của nó là một điều cần thiết đối với chúng ta. Trên tinh thần đó, đề tài nghiên cứu này nhằm mục đích xác định khoảng cách tương đối, sự chuyển động của một vật thông qua ứng dụng của việc thu – phát sóng siêu âm. Đây là cơ sở để có thể phát triển lên những đề tài lớn hơn, có tính ứng dụng cao hơn trong cuộc sống. Sau một thời gian tìm tòi, nghiên cứu và thực hiện, chúng tôi đã hoàn thành sản phẩm. Đó là mô hình dùng để định vị khoảng cách một thiết bị. Tuy còn nhiều điểm hạn chế nhưng chúng tôi nghĩ nếu đầu tư thêm về kỹ thuật và kiến thức chuyên môn thì sản phẩm của chúng tôi có tính ứng dụng thực tế rất cao trong thực tế cuộc sống. Đề tài nghiên cứu được chia ra thành 3 chương như sau: Chương 1: Cơ sở lý thuyết. Chương 2: Sơ đồ mạch và giải thuật. Chương 3: Hướng phát triển đề tài. 5 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 GIỚI THIỆU VỀ VI XỬ LÝ PIC 16F877A PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường). Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A như sau: 8 K Flash ROM. 368 Bytes RAM. 256 Bytes EEPROM. 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập. 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2). Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài. 2 bộ CCP( Capture / Compare/ PWM). 2 bộ biến đổi ADC 10 bits, 8 bits ngõ vào. 2 bộ so sánh tương tự (Compartor). 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer). Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển. Một cổng nối tiếp. 15 nguồn ngắt. Có chế độ tiết kiệm năng lượng. Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming) Được chế tạo bằng công nghệ CMOS 35 tập lệnh có độ dài 14 bits. Tần số hoạt động tối đa 20MHz. 6 Hình 1.1: Sơ đồ c ác chân thực tế của Pic 16F877A Hình 1.2: Sơ đồ khối của Pic 16F877A 7 Sự tổ chức bộ nhớ Pic16F877 Pic16F877 có 3 khối bộ nhớ. Bộ nhớ chương trình PLASH, bộ nhớ dữ liệu RAM, bộ nhớ EEPROM. Sự tổ chức bộ nhớ chơng trình FLASH và Stack nhớ. Vi điều khiển PIC16F877 có một bộ đếm chương trình 13 bit và có 8Kx14 từ mã của bộ nhớ chương trình FLASH, được chia thành 4 trang mỗi trang 2Kx14 từ mã. Khi Reset địa chỉ bắt đầu thực hiện chạy là 0000h, Vector ngắt bắt đầu 0004h. Stack có 8 mức dùng để lưu địa (PC) chỉ lệnh thực hiện tiếp theo sau lệnh CALL và khi xảy ra ngắt. Sự tổ chức bộ nhớ dữ liệu RAM RAM là bộ nhớ có thể đọc và ghi, nó không lưu dữ liệu khi mất điện, bộ nhớ RAM của PIC16F877 có 4 bank, mỗi bank có dải địa chỉ 0-7FH (128byte) trên các bank những thanh ghi đa mục đích, nó hoạt độngnhư một RAM tĩnh (General purpose register), và những thanh ghi chức năng đặc biệt (Special function registers) ở vùng địa chỉ thấp. Bít RP1 (Status <6>) và bit RP0 (Status <5>) dùng để lựa chọn bank làm việc. Hình 1.3: Các bank làm việc. RP1:RP0 Bank 00 0 01 1 10 2 11 3 8 Hình 1.4: Các bank của Pic 16F877A Các thanh ghi đa mục đích (General Purpose Register) Các thanh ghi này được truy cập bằng cả hai cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua thanh ghi FSR,tổng cộng có 368 byte. Các thanh ghi chức năng đặc biệt Các thanh ghi này được dùng bởi CPU và các khối ngoại vi để điều khiển sự hoạt động theo yêu cầu của thiết bị. Các thanh ghi này có thể được phân loại vào hai bộ phận trung tâm (CPU) và ngoại vi. Sau đây là một số thanh ghi đặc biệt quan trọng Các thanh ghi trạng thái STATUS Có 4 thanh ghi trạng thái trên 4 dãy, tại các địa chỉ 03h, 83h, 103h, 183h. Các thanh ghi này cho biết trạng thái của phần tử lôgic toán học ALU, trạng thái RESET, trạng thái của các 9 bit lựa chọn dãy thanh ghi cho bộ nhớ dữ liệu. Thanh ghi trạng thái có thể là kết quả của một số lệnh như là với một số thanh ghi khác. Nếu thanh ghi trạng thái là kết quả bởi một lệnh mà tác động đến các bit Z, DC, C thì việc ghi vào các bit này là không thể. Các thanh ghi lựa chọn OPTION_REG Có hai thanh ghi lựa chọn tại các địa chỉ 81h và 181h, các thanh ghi này có thể đọc hoặc ghi, nó chứa đựng nhiều bit điều khiển khác nhau để xác định hệ số định trước TMR0/hệ số định sau WDT, ngắt ngoài INT, TMR0, các điện áp treo trên cổng B Các thanh ghi INTCON Có 4 thanh ghi INTCON tại các địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh. Các thanh ghi này có thể đọc và ghi, nó chứa đựng nhiều sự cho phép và các bit cờ cho việc tràn thanh ghi TMR0, các ngắt thay đổi cổng RB và chân các ngắt ngoàI RB0/INT. Thanh ghi PIE1 Tại địa chỉ 8Ch, chứa đựng các bit cho phép riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi. Thanh ghi PIR1 Tại địa chỉ 0Ch, chứa đựng các bit cờ riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi. Thanh ghi PIE2 Tại địa chỉ 8Dh, chứa đựng các bit cho phép riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi CCP2, ngắt xung đột tuyến SSP và EEPROM ghi các hoạt động ngắt . Thanh ghi PIE2 Tại địa chỉ 8Dh, chứa đựng các cờ bit cho các ngắt ngoại vi CCP2, ngắt xung đột tuyến SSP và EEPROM ghi các hoạt động ngắt . Thanh ghi PCON (Power Control) Chứa bit cờ cho phép phân biệt giữa việc Reset hệ thống (POR) để Reset MCLR ngoại với Reset WDT. PCL và PCLATH Chương trình đếm chỉ rõ địa chỉ của lệnh tiếp theo được thực hiện. PC có độ rộng 13 bit, byte thấp được gọi là thanh ghi PCL, thanh ghi này có thể đọc hoặc ghi. Cổng B và thanh ghi TRISB Cổng B là cổng hai chiều với độ rộng đường truyền là 8 bit.Tương ứng với nó để điều khiển trực tiếp dữ liệu ta sử dụng thanh ghi TRISB. Nếu đặt bít TRISB bằng 1 thì lúc này các chân của cổng B được định nghĩa là chân vào. Nếu xoá bít TRISB bằng 0 thì lúc này các chân của cổng B được định nghĩa là chân ra. Nội dung của chốt ra có thể chọn trên mỗi chân. Có 3 chân của cổng B có thể đa hợp với các chương trình vận hành bằng điện áp thấp. Đó là các chân sau: RB3/PGM, RB6/PGC, RB7/PGD. Sự thay đổi hoạt động của những chân này được miêu tả ở trong phần đặc tính nổi bật. Mỗi chân của cổng B có một khả năng dừng bên trong nhưng yếu. Điều này được trình bày bởi việc xoá bít RBPU (bit 7 của thanh ghi OPTION_REG). Khả năng dừng này sẽ tự động tắt đi khi các chân của cổng được định nghĩa là chân ra. Khả năng dừng này sẽ tự động mất đi khi ta RESET. Bốn chân của cổng B, từ 10 RB7 đến RB4 có đặc tính là ngắt khi thay đổi trạng thái. Chỉ những chân được định dạng là những chân vào thì ngắt này mới tồn tại. Một vài chân RB7:RB4 được định dạng như chân ra nó thi hành ngắt trên sự thay đổi so sánh. Chân vào B7:RB4 được so sánh với giá trị cũ của chốt ở lần đọc cuối cùng của cổng B. Sự ghép đôi không khớp chân ra của RB7:RB4 bằng lệnh OR làm phát ra ngắt với cờ bít RBIF của thanh ghi INTCON. Ngắt này có thể khởi động thiết bị từ trạng thái SLEEP. 1.2 GIỚI THIỆU VỀ SRF05 SRF05- Ultra-Sonic Rangger – định khoảng cách bằng sóng siêu âm là một kỹ thuật mới được phát triển từ SRF04, và SRF05 được thiết kế để tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, giảm chi phí so với SRF04, phạm vi này được tăng từ 3 mét đến 4 mét. Ở SRF05 có một chế độ điều hành mới đó là buộc các chế độ chân nối đất, do đó cho phép SRF05 sử dụng một chân duy nhất cho cả việc kích hoạt và phản xạ sóng siêu âm nên sẽ tiết kiệm số chân làm việc. Khi chân bên trái của SRF05 chưa được kết nối, các chân SRF05 sẽ hoạt động riêng biệt chế độ kích hoạt và phản xạ. SRF05 cũng có một độ trễ nhỏ do sóng phản xạ dội ngược về. Sau đây là hình giới thiệu về SRF05: Hình 1.5: Giới thiệu về SRF05 Các đặc điểm kỹ thuật của SRF05: Điện áp: 5V. Dòng: từ 30 mA – 50 mA. Tần số : 40khz. Khoảng cách tối đa: 3 m. Khoảng cách tối thiểu: 3 cm. Độ nhạy : Đường kính quét từ 3 cm đến lớn hơn 3m. Đầu vào kích hoạt: 10 uS nhỏ nhất. Thời gian sống mức xung. [...]... định ban đầu của mình là định vị khoảng cách của thiết bị theo không gian hai chiều Trong quá trình thực hiện, chúng tôi thực hiện lâu nhất là phần thiết kế cho cả hai động cơ quay đồng thời, vì khi sử dụng nguồn chung thường dẫn đến tình trạng dòng yếu, không đáp ứng được Qua đây tôi cũng muốn nói thêm rằng việc thực hiện đề tài đã mang lại cho chúng tôi rất nhiều kiến thức thực tế, và chính chúng tôi... ứng dụng vào thực tiễn để định vị khoảng cách trong phạm vi lớn hơn, định vị theo không gian 3 chiều để xác định chính xác hình ảnh, vị trí của vật thể trong không - gian Nếu cải tiến thêm thì sản phẩm sẽ trở nên nhỏ gọn, dể vận chuyển, có tính ứng dụng rất cao 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cảm biến vị trí và dịch chuyển [2] Đo khoảng cách và xác định vị trí vật thể bằng phương pháp siêu âm- Trần Thị... Điều này là để đảm bảo các cảnh báo siêu âm đã mất dần đi và sẽ không gây ra các phản hồi chồng lên nhau 14 Chúng ta không thể thay đổi được mô hình và chiều rộng của chùm tia bởi vì các mô hình chùm SRF05 là hình nón với chiều rộng của chùm tia và diện tích đầu dò là cố định, được quy định bởi nhà sản xuất được thể hiện như hình: Hình 1.10: Sơ đồ chùm tia sóng siêu âm 15 CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ MẠCH VÀ GIẢI... Trong mạch thiết kế, 4 leds 7 đoạn dùng để hiển thị giá trị về tọa độ 2 chiều của vật Trong đó, 2 leds đầu dùng để hiển thị về chiều dọc, còn 2 leds sau hiển thị giá trị chiều ngang 2.1.1.4 Khối giao tiếp máy tính Giao tiếp giữa mạch thực tế và máy tính được kết nối thông qua giao tiếp cổng COM Trong kết nối này, linh kiện MAX 232 đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dữ liệu từ thiết bị lên máy... – ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Quá trình thực hiện đề tài tưởng chừng như đơn giản, nhưng khi bắt tay vào thực hiện chi tiết, chúng tôi đã gặp rất nhiều khó khăn về việc thể hiện ý tưởng của mình Chúng tôi đã phải thay đổi thiết kế của mô hình vì không tìm được linh kiện tương ứng Từ việc lắp thiết bị, làm khung, hộp… chúng tôi gặp vất vả rất nhiều về dụng cụ thực hiện, phần lớn chúng tôi đều thiếu... một khối tín hiệu gồm 8 chu kỳ của sóng siêu âm tại tần số 40khz và nâng cao dòng tiếng vang phản hồi ( hoặc dòng kích hoạt ở chế độ 2) Và sau khi phát hiện được dòng phản hồi thì nó sẽ làm giảm dòng vọng lại Xung của các dòng vọng lại có độ rộng tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng, và bởi xung thời gian có thể tính toán trong phạm vi đơn vị inch/cm hoặc các đơn vị khác Nếu không có vậ thể nào được... cổng COM Trong kết nối này, linh kiện MAX 232 đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dữ liệu từ thiết bị lên máy tính để mô phỏng thực tế trên máy tính 2.2 Sơ đồ giải thuật NHẬN LIỆU PHÁT SÓNG GỬI DỮDỮ CẤP NGUỒN LIỆU GỬI VỀ SIÊU ÂM LÊN MÁY TÍNH XÁC ĐỊNH XỬ THỊ HIỂN LÝ VỊ TRÍ VẬT DỮ LIỆU 18 2.3 Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch: Bước 1: 19 Cung cấp nguồn điện cho mạch: sử dụng adaptor 5V (nguồn... SRF05 phát và thu sóng siêu âm liên tục trong phạm vi cho phép, từ đó nhận giá trị về khoảng cách của vật theo 2 trục tọa độ, nhằm xác định vị trí hiện thời hoặc quỹ đạo di chuyển của vật Bước 3: Giá trị khoảng cách nhận được sẽ được gửi lên máy tính thông qua giao tiếp cổng COM Giá trị này đang ở dạng chuỗi ký tự, nên sẽ được xử lý chuyển sang giá trị số (digital), từ đó đưa lên mô phỏng bằng Matlab và... Hàm circle Cú pháp: Circle (I, r, N) Chức năng: Vẽ đường tròn trong Matlab với tọa độ tâm I, bán kính r và số điểm trên đường tròn 20 Hàm intersections Cú pháp: Intersections (X1, Y1, X2, Y2, 0) Chức năng: Xác định giao điểm của 2 đường tròn cho trước, nhằm định vị trí của vật theo không gian 2 chiều khi hiển thị bằng matlab Hàm plot Cú pháp: Plot (x, y, 'ro') Chức năng: Dùng để vẽ đồ thị lên matlab,... phản hồi sẽ được hạ thấp dòng sau khoảng 30ms Các SRF04 sẽ cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoảng cách Nếu độ rộng của xung được đo là đơn vị uS, thì sau đó ta đem chia cho 58 thì sẽ được đơn vị khoảng cách theo centimet hay đem chia cho 148 sẽ được đơn vị khoảng cách theo inch: uS/58= cm hoặc uS/148= inch Đối với các SRF05 cứ mỗi 50mS sẽ kích hoạt hoặc 20 lần mỗi giây Chúng ta nên đợi 50ms trước . sóng siêu âm và về các ứng dụng của nó trong thực tiễn nên chúng tôi đã nghiên cứu về đề tài này. 4 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI “ĐỊNH VỊ HAI CHIỀU THIẾT BỊ BẰNG SÓNG SIÊU ÂM Ngày nay, sóng siêu âm. DỮ LIỆU GỬI VỀ XỬ LÝ DỮ LIỆU XỬ LÝ DỮ LIỆU XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VẬT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VẬT HIỂN THỊ HIỂN THỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM PHÁT SÓNG SIÊU ÂM CẤP NGUỒN GỬI DỮ LIỆU LÊN MÁY TÍNH GỬI DỮ LIỆU LÊN. dụng thực tiễn. Chẳng hạn, Rada siêu âm được ứng dụng để thăm dò đáy biển, xác định tàu ngầm do có ưu điểm là ít bị suy hao trong môi trường nước. Ngoài ra, một số ứng dụng khác của sóng siêu âm