Nghiên cứu ,thiết kế bộ đo khoảng cách bằng sóng siêu âm ứng dụng vi điều khiển

Nghiên cứu ,thiết kế bộ đo khoảng cách bằng sóng siêu âm ứng dụng vi điều khiển

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, với thành quả là hàng loạt các phát minh, các vật liệu mới ra đời, một trong số các thành tựu nổi bật phải nói đến là việc phát hiện và ứng dụng sóng siêu âm vào đời sống, đặc biệt là trong lĩnh vực y khoa và thẩm mỹ với đại diện là các thiết bị siêu

âm, các máy tẩy rửa,… ngoài ra siêu âm còn thể hiện sự ưu việt của mình trong lĩnh vực đo lường, kiểm định chất lượng sản phẩm, an ninh… với các thiết bị đo khoảng cách, vận tốc, các thiết bị cảnh báo, dò khuyết tật…để tìm hiểu thêm về một lĩnh vực mới và đa năng này em đã lựa chọn đề tài “Máy

đo khoảng cách ứng dụng sóng siêu âm” làm đề tài đồ án tốt nghiệp của mình

Những kiến thức và năng lực đạt được trong suốt quá trình học tập tại trường sẽ được đánh giá trong đồ án tốt nghiệp này Vì vậy em sẽ cố gắng tận dụng tất cả những kiến thức đã học cùng với kinh nghiệm tìm tòi nghiên cứu qua các đồ án môn học để có thể hoàn thành tốt đồ án này

Mặc dù chúng em rất cố gắng để hoàn thành tập đồ án này đúng thời hạn, nhưng không tránh khỏi những thiếu sót mong quí thầy cô thông cảm

Em mong được đón nhận những ý kiến đóng góp Cuối cùng em xin cảm ơn quí thầy cô và các bạn sinh viên

Sinh viên thực hiện ;

Trần Hữu Chung

NhËn xÐt cña gi¸o viªn híng dÉn

- -

Nam §Þnh, Ngµy th¸ng n¨m 2011

NhËn xÐt cña gi¸o viªn ph¶n biÖn

- -

Nam §Þnh, Ngµy th¸ng n¨m 2011

Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Trường ĐH sư phạm kĩ thuật nam định Độc lập-Tự do- Hạnh phúc

…….*o0o*……

………

3.Các bản vẽ : - Các bản vẽ cần thiết để thuyết trình

GVHD : Th.s Trần Hiếu

Nam Định Ngày … tháng… năm 2011

Phần I : Mở đầu

1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ Ngành điện tử đã đóng góp rất nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống, đánh dấu bước nhảy vọt về khoa học kỹ thuật trong thế giới hiện đại Những tiến

bộ này đã tạo nên những sản phẩm mang đầy trí tuệ sáng tạo của con người Trong sự phát triển khoa học đó, ngành siêu âm cũng ra đời đã đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển này

Sự kết hợp giữa lĩnh vực điện tử và kỹ thuật siêu âm đã cho ra những sản phẩm kỹ thuật ứng dụng rất phong phú trong công nghiệp, nông nghiệp, quân sự, y học…

Vì vậy nghiên cứu về lĩnh vực siêu âm điều quan trọng để làm nền tảng cho các kỹ thuật tiến bộ sử dụng lĩnh vực siêu âm và làm tài liệu tham khảo cho những bạn sinh viên sau này để sáng tạo ra những ứng dụng kỹ thuật mới và tiến bộ hơn

1.2 Giới hạn đề tài

Có rất nhiều những ứng dụng của kỹ thuật siêu âm trong nhiều lĩnh vực của đời sống Nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên người làm đề tài không thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật siêu âm Người làm đề tài có thể tìm hiều những vấn đề cơ bản của kỹ thuật siêu âm như sau:

+ Sơ lược về sóng siêu âm

+ Các ứng dụng cơ bản của sóng siêu âm

+ Khảo sát mạch đo khoảng cách bằng sóng siêu âm

1.3 Mục đích nghiên cứu

Để tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật siêu âm, ta phải tiến hành khảo sát mạch ứng dụng cụ thể vào thực tế Khi làm thực tế sẽ tiếp xúc được nhiều kinh nghiệm trong quá trình khảo sát, mở rộng kiến thức về ứng dụng siêu âm và củng cố được các kiến thức cơ bản của kỹ thuật điện tử

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Do thời gian có hạn nên người nghiên cứu không thể giới thiệu được hết các ứng dụng của siêu âm Trong thời gian ngắn chỉ có thể tham khảo những điều cơ bản của kỹ thuật siêu âm Vì vậy, đối tượng để nghiên cứu chủ yếu

là những vấn đề của kỹ thuật siêu âm mà cụ thể là khảo sát mạch đo khoảng cách dùng sóng siêu âm

1.5 Giả thiết nghiên cứu

Việc đo khoảng cách bằng sóng siêu âm này chưa được khả thi lắm Vì vận tốc truyền của sóng siêu âm trong mỗi chất liệu là khác nhau

1.6 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

Phương pháp tham khảo tài liệu:

Tham khảo và chọn lọc các tài liệu để rút ra các kiến thức có liên quan để tổng hợp đưa vào đồ án

- Phương tiện: tạp chí điện tử; các sách kỹ thuật chuyên môn…

Phần II : Nội dung đề tài Chương 1 : Nghiên cứu hệ thống đo khoảng cách

1.1 Tổng quan về sóng siêu âm

1.1.1 Khái niệm

- Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua – lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng

- Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

+ Ví dụ 1: Tác động một lực làm rung lên âm thoa, gây ra cho các phân tử trong không khí bị nén lại hay dãn ra tùy theo hướng chuyển động của âm thoa, phân tử đầu tiên bị tác động sẽ ảnh hưởng đến phân tử kế tiếp và cứ thế mà có sự lan truyền sóng ra mọi hướng (và cũng nhờ thế mà tai người ở bất kỳ vị trí nào xung quanh âm thoa đều nghe được âm vang của âm thoa) Hiện tượng này tương tự như khi ta thả một viên sỏi vào giữa lòng hồ đang lặng sóng, viên sỏi sẽ tạo ra những gợn sóng có hình dạng các vòng tròn đồng tâm lan tỏa ra xung quanh mà tâm của chúng là vị trí mà viên sỏi rơi xuống hồ nước

+ Ví dụ 2: Đánh vào mặt trống; tác động dòng điện làm rung màng loa; đạn bay trong không khí

Các đại lượng đặc trưng của sóng :

- Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất

Hình 1.1 : Dao động của sóng siêu âmCác đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

o Chu kỳ T = (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn

o Tần số f = (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây

o Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn vị thời gian

o Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f) Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau

1.1.2 Phân loại

1.1.2.1 Phân loại theo phương dao động

Dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra làm hai loại: sóng dọc và sóng ngang

o Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường

1.1.2.2 Phân loại theo tần số

- Sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính

o Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f <

16 Hz Ví dụ: sóng địa chấn

o Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz

o 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

1.1.3 Lịch sử phát triển của sóng siêu âm

- Được biết đến là cha đẻ của siêu âm, Sergei Y Sokolov, nhà khoa học nổi

tiếng của Liên Xô tại VI Ulyanov (Lenin) Viện Kỹ thuật Điện, Leningrad sinh năm 1897 tại thành phố cùng tên của nước Nga Ông đưa ra ý tưởng vào năm 1928, và một vài năm sau đó đã chứng minh kỹ thuật truyền qua để phát hiện khuyết tật trong kim loại Ông cải tiến ý tưởng của mình trong cuối những năm 1920, thời điểm những công nghệ cần thiết như vậy không tồn tại Ông đề xuất rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng để phát hiện tính không đồng nhất trong chất rắn như kim loại

- Cùng với những khám phá ban đầu về siêu âm, các công trình nghiên cứu sâu rộng nhằm phát hiện khuyết tật trong các kim loại đã được tiến hành tại Đức vào đầu những năm 1930 Năm 1933, O Muhlhauser được cấp bằng sáng chế cho hệ thống truyền năng lượng siêu âm vào chi tiết kiểm tra, phát

hiện khuyết tật không đồng nhất bằng sử dụng bộ biến đổi siêu âm-điện thứ

cấp Năm 1935 Sokolov công bố chi tiết các thiết kế thử nghiệm máy phát thạch anh, phương pháp cặp ghép nối máy phát điện với các bộ phận kiểm tra nhằm đạt được năng lượng truyền đến tối đa, và nhiều phương pháp phát hiện năng lượng siêu âm sau khi truyền qua các tiết kiểm tra Ông đề xuất khái niệm ‘máy chụp ảnh siêu âm’ đầu tiên chứa hình ảnh thực thu nhận của một khuyết tật Ông cho biết rằng bằng cách sử dụng sóng âm với tần số

3000 MHz, độ phân giải thu được có thể bằng độ phân giải của các kính hiển

vi quang học Phương pháp của ông đã sử dụng một bộ chuyển đổi nhận tín hiệu áp điện lớn khi điện tích tạo ra bởi các tín hiệu âm thanh đến ở trạng thái cô lập Bề mặt của bộ chuyển đổi sau đó được quét bởi tiếp xúc cơ học hoặc khoảng cách, xây dựng “hình ảnh” của khuyết tật này Độ phân giải của các thiết bị thí nghiệm mà ông đã chế tạo được tuy nhiên không đủ tốt

để được sử dụng ở mức độ thực tế

Tại Đức, năm 1936, Raimar Pohlman đã phát triển một phương pháp tạo ảnh siêu âm dựa trên sự truyền qua sử dụng ống truyền sóng âm và chuyển đổi hình ảnh kết quả sóng thanh thành hình ảnh quan sát được trong cùng một

thể tích dò Tại Đức, thiết bị chuyển đổi hình ảnh của ông được biết đến như

là “tế bào Pohlman” Được sử dụng rộng rãi vào gần cuối giai đoạn chiến tranh thế giới II tại Đức khi thử nghiệm vật liệu siêu âm đã trở nên cần thiết trong việc lựa chọn đạn dược để bảo vệ pháo phòng không của Berlin Pohlman đã thực hiện thực nghiệm theo các tuyến tương tự với sự truyền siêu âm qua kim loại có khuyết tật, nhưng đã sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác với phương pháp phát hiện chùm tia nhận được Máy dò của ông đình chỉ sử dụng một miếng nhôm dạng bông tuyết trong xylen kín đựng trong một vỏ trong suốt Chùm siêu âm nhận được từ mẫu thí nghiệm tác động lên miếng nhôm hình bông tuyết khiến chúng tự sắp xếp bình thường theo hướng chùm siêu âm.Trong trường hợp có khuyết tật xuất hiện trong vật liệu khi thử nghiệm, các vùng tối sẽ được thay thế tại vị trí các bông tuyết duy trì định hướng ban đầu của chúng

Những người có đóng góp quan trọng, Floyd Firestone, Donald

Sproule và Adolf Trost không hề biết đến nhau như thể họ làm việc trong bí mật vậy Kể cả các ứng dụng bằng sáng chế của họ đã được công bố Sproule và Trost sử dụng công nghệ truyền qua với các đầu dò truyền và

nhận siêu âm hoàn toàn riêng biệt Trost phát minh ra cái gọi là Tonge” Hai đầu dò được nối theo hướng đối diện với tấm, đặt trên cùng một trục bằng một thiết bị cơ khí - the tonge - và tạo cặp kết hợp với cả hai

“Trost-mặt bằng dòng nước chảy liên tục Sproule đặt 2 đầu dò trên cùng một phía của vật Vì vậy, ông đã phát minh ra máy dò tinh thể kép Ông đã sử dụng sự kết hợp này cũng với các khoảng cách khác nhau từ chúng Firestone là

người đầu tiên nhận ra kỹ thuật phản xạ Ông sửa đổi một thiết bị radar và

phát triển một máy phát có các xung ngắn và bộ khuếch đại với vùng ngưng ngắn (dead zone) Sproule cuối cùng đã từ bỏ phương pháp truyền qua và nộp một bằng sáng chế vào năm 1952 mang tên “những cải tiến trong/hoặc liên quan đến thiết bị phát hiện khuyết tật và đo vận tốc bằng phương pháp siêu âm vọng”

1.2 Hệ thống đo khoảng cách

1.2.1 Các phương pháp đo khoảng cách truyền thống

1.2.1.:Phương pháp đo bằng thước

- Trong trường hợp không cần độ chính xác cao người ta có thể đo bằng

cách đếm bước Mỗi bước chân của người bình thường cách nhau 0,7m Cách đo này có độ chính xác rất thấp Do đó trong mọi trường hợp đều cần

có thước gỗ hay thước thép (dây) để đo

- Thước thép (dây) thông thường dài 25m dùng kèm với một bộ 11 que sắt Khi đo cần có hai người thao tác Người đi sau cầm đầu thước có vạch 0m, dùng que sắt giữ chặt đầu thước sao cho vạch 0m của thước trùng với điểm đầu cần đo Người đi trước cầm 10 que sắt và cắm que sắt tại vạch 25m đều

chỉnh sao cho hướng của thước trùng với hướng đo Hai người đi tới và đo tiếp tục, người đi sau thu các que sắt mà người đi trước đã cắm Khi thu đủ

10 que người đi sau sẽ giao cho người đi trước

Nếu gọi:

- N: Số lần người đi sau trao bộ 10 que sắt cho người đi trước

- n : Số que sắt trong tay người đi sau

- r : Khoảng lẻ còn lại đọc trên thước

- 25 : là chiều dài của thước nếu thước dài 30m thì số này được thay bằng 30

- S: Khoảng cách được đo

Ta có công thức tính khoảng cách bằng:

Hình 1.2:Đo khoảng cách bằng thước đo

- Khi đo nếu gặp địa hình dốc ít thì có thể nâng thước lên nằm ngang

và dùng ống thăng bằng để kiểm tra thăng bằng khi đó đầu thước nâng cao được treo một dây dọi để định tâm đầu thước ở mặt đất

- Nếu địa hình dốc đều ta có thể đo trực tiếp mặt đất nghiêng và dùng

công thức:

Trong đó: l độ dài đo nghiêng; d khoảng cách AB; a góc nghiêng của mặt đất.

xác định khoảng cách bằng lượng giác

- Phương pháp này sử dụng một nguồn phát sáng phát ra một chùm tia hẹp tới đập vào bề mặt vật thể Do phản xạ, tia sáng chuyển hướng tới bộ thu được đặt cách bộ phát một khoảng B, góc phát tia sáng so với phương ngang

là

α ( hình 1.4)

Hình 1.4: Sensor đo khoảng cách sử dụng phương pháp lượng giác

Nếu D là khoảng cách từ đối tượng tới detector thì khoảng cách này

được tính như sau:

chùm sáng về phải đồng trục Khi đó khoảng cách từ sensor tới đối tượng sẽ được tính như sau:

D = C T/2 Trong đó: D là khoảng cách từ sensor tới đối tượng

và sóng phản xạ Sơ đồ thực hiện có thể được chỉ ra trên hình 1.2.1.3

- Trong sơ đồ, chùm laser phát được tới một gương bán mạ, gương này sẽ chia chùm laser thành hai chùm sáng như nhau Một truyền tới đối tượng, một truyền tới bộ đo pha Chùm laser truyền tới đối tượng sẽ phản xạ và đi tới bộ đo pha Bộ đo pha ở đây đóng vai trò là một detector Gọi L là khoảng cách từ tia chuẩn tới Detector, D là khoảng cách từ đối tượng tới gương bán

mạ Khi đó tổng quãng đường đi của laser tới vật thể và quay trở về

Detector là : D’ = 2D + L

Hình 1.5: Đo khoảng cách bằng pha

- Nếu đối tượng ở gần (D = 0) khi đó pha của hai tia sáng như nhau Khi D tăng thì độ lệch pha tăng dần độ dịch pha giữa hai tia trong trường hợp này

sẽ là:

D’= L + λ θ /3600

- Cũng cần lưu ý: khi θ = 3600 bộ đo pha sẽ không phân biệt được

D’ = L + n (với n là số nguyên ) hay D’ = L Như vậy cách này chỉ đo với các giá trị lệch pha θ < 3600 hay với khoảng cách 2D < λ

Bên cạnh việc sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát lazer, trên thực tế người ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm Chùm xung siêu âm phát ra đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng, xung phản xạ được thu ở đầu thu siêu

âm có thời gian kéo dài xung tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật Nếu đo được khoảng thời gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng cách tới vật

1.2.2 Phương pháp đo khoảng cách ứng dụng

+ ) Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm :

- Loại sensor này phát ra xung siêu âm Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm việc của sensor sẽ xuất hiện sóng phản xạ về đầu thu Cấu trúc một sensor siêu âm thường gồm những phần : Phần tử cơ bản của sensor này là bộ biến

âm thường là gốm áp điện được bảo vệ bằng một chất nhựa tổng hợp nhằm chống lại sự ẩm ướt, bụi bẩn và các nhân tố khác của môi rường Bộ thu âm thanh sẽ hứng âm đưa tới bộ biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện Tất cả các thành phần này được để trong một vỏ Một dạng sóng điển hình mô

tả hoạt động của sensor siêu âm Dạng sóng A là tín hiệu điều khiển tín hiệu truyền Dạng sóng B là tín hiệu lối ra khi có cả tín hiệu tiếng vọng (echo) trong đó B1 là tín hiệu phát ra còn B2 là tín hiệu phản xạ lại Các xung C tách biệt tín hiệu truyền và tín hiệu nhận Để phân biệt sự khác nhau giữa các xung tương ứng với tín hiệu mang và tín hiệu phản xạ lại ta xem xét tín hiệu D Trong đó t1 là khoảng thời gian phát hiện nhỏ nhất và ∆ t1 + ∆ t2

là khoảng thời gian phát hiện lớn nhất Các khoảng thời gian này tương ứng với khoảng thời gian truyền sóng trong môi trường khi nhận được tín hiệu phản xạ lại (lúc đó tín hiệu D có giá trị lớn nhất) sẽ hình hành tín hiệu E, nó

sẽ bằng 0 khi kết thúc xung tín hiệu A Cuối cùng tín hiệu F được hình thành khi xuất hiện xung tín hiệu E và sẽ là tín hiệu ra của sensor siêu âm hoạt động theo chế độ nhị phân

1.2.3 Ứng dụng của sóng siêu âm

1.3.1 Sơ đồ khối đo khoảng cách

Hình 1.7 : Sơ đồ khối máy đo khoảng cách

Khối xử lý trung tâm

Khối xung phát

thu và xử lý Khối tín hiệu thu

Khối nguồn Bànphím

phímphí

m

1.3.2 Chức năng từng khối

 Khối nguồn bao gồm nguồn đơn +5V nguồn nuôi của vi điều khiển,

±12V cấp nguồn nuôi cho mạch tạo xung phát, cấp cho mạch xử lý tín hiệu thu

 Khối hiển thị lấy dữ liệu từ khối xử lý trung tâm và hiển thị chúng trên

màn hình LED

 Khối tạo xung phát tạo ra xung phát 40Khz đưa đến biến tử phát ra môi

trường đo

 Khối xử lý tín hiệu thu có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản hồi, khuếch đại và điều

chế thành xung kích gửi về khối điều khiển trung tâm.

 Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ:

• Giao tiếp bàn phím điều khiển

• Nhận tín hiệu điều chế từ khối nhận và xử lý tín hiệu thu để kích dừng bộ đếm 8 bit

Chương II : Hệ thống đo khoảng cách

2.1 Khối cảm biến :

2.1.1 Cảm biến siêu âm :

2.1.1.1: Một số loại cảm biến siêu âm :

Hình 2.1 : Một số loại cảm biến siêu âm

Cảm biến siên âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vật trong khoảng 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 chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau

2.1.1.2 : Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (Time Of Flight)

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc 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 chuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

d = v • t/2

Hình 2.2 : Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm

2.1.1.3 : Tầm quét của cảm biến siêu âm :

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình 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

Hình 2.3 : Tầm quét của cảm biến siêu âm

2.1.1.4 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Tối thiểu

Tối đa

SRF02 I2C / Serial 15 cm 6 m 45 ° Một 70 ms A

Bảng 2.1 : Thông số các loại cảm biến

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở 1 / 2 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

C: cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng

D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

2.1.2 : Cảm biến siêu âm SRF05 và đặc điểm kỹ thuật

2.1.2.1 : Giới thiệu

+ SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04 Khoảng cách được tăng từ 3 mét đến 4 mét

+ SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm giá trị trên chân điều khiển Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04 SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh

2.1.2.2 : Các chế độ của SRF05

● Chế độ 1 : Tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi

- Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết nối - SRF05 có một nội dừng trên chân này

Hình 2.4 : Sơ đồ chân của SRF05

Hình 2.5 : Giản đồ định thời của SRF05 chế độ 1

● Chế độ 2 – Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi

- Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng

Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối vào chân mass Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt

Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, ta chỉ cần sử dụng

PULSOUT và PULSIN trên cùng một chân, như sau :

SRF05 PIN 15 : sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echoRange VAR Word : xác định phạm vi biến 16 bit

SRF05 = 0 : bắt đầu bằng pin thấp

PULSOUT SRF05, 5 : đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS)

PULSIN SRF05, 1, Range : echo đo thời gian

Range = Range/29 : để chuyển đổi sang cm(chia 74 cho inch

●Tính toán khoảng cách :

Giản đồ định thời SRF05 thể hiện ở hai chế độ trên; Chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách Các SRF05 sẽ cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó (hoặc kích hoạt chế độ dòng 2) Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch / centimét hoặc đơn vị đo khác Nếu không phát hiện gì thì SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30mS

SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây Nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp

• Các thiết lập khác của chân 5

Chân 5 được đóng nhãn là "programming pins" được sử dụng một lần duy nhất trong quá trình sản xuất để lập trình cho bộ nhớ Flash trên chip

PIC16F630 Các chương trình của PIC16F630 pins cũng được sử dụng cho

các chức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn rằng không kết nối bất cứ cái

gì với các chân này, nếu không sẽ làm gián đoạn hoạt động mô-đun

• Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm

Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05 được biểu diễn bên dưới:

2.1.2.3.Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 :

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 số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người Trong khi tần số thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao

Hình 2.7 : Nguyên tắc hoạt động của SRF05

+ Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05

Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản xạ của nó

+ Vùng phát hiện của SRF05

- Nếu ngưỡng để phát hiện đối tượng được đặt quá gần với cảm biến, các đối tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù Nếu ngưỡng này được đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì các đối tượng sẽ được phát hiện mà không phải là trên một đường va chạm

- Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát

hiện chiều rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau

2.2 : Khối Vi điều khiển

2.2.1 Giới thiệu VĐK

Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-Controller, là mạch tích hợp trên chíp có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống Theo các bước điều khiển của người lập trình, vi điều khiển có thể đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó

Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TiVi, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò vi ba…Trong hệ thống tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng

2.2.1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI ĐIỀU KHIỂN

Bộ vi điều khiển thực ra, là một loại vi xử lý trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lý, từ những năm 70

do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kĩ thuật MOS (Metal-Oxide-semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chíp ngày càng cao

Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lí 4 bit loại TMS 1000 do công ty Texas Intruments vừa là nơi phát minh vừa là nơi sản xuất Nhìn tổng thể thì bộ vi

xử lí chỉ có chứa trên một chip những chức năng cần thiết để xử lí chương trình theo một trình tự, còn tất cả các bộ phận phụ trợ khác cần thiết như: bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ chuyển đổi A/D, khối điều khiển, khối hiển thị, điều khiển máy in, khối đồng hồ và lịch là những linh kiện nằm ở bên ngoài được nối vào bộ vi xử lí

Mãi đến năm 1976 công ty Intel (Interlligen-electronics) cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giói với tên gọi 8048 Bên cạnh bộ vi

xử lí 8048 trung tâm còn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ đếm

và phát thời gian các cổng vào và ra Digital trên một chíp

Các công ty khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tương tự như 8048 và hình thành nên họ vi điều khiển MCS-48 (Micro controller system-48)

Đến năm 1980 công ty Intel cho ra đời thế hệ vi điều khiển thứ hai đơn chíp với tên gọi 8051 Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành nên họ vi điều khiển MCS-51

Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS 51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty hàng đầu trên thế giới chế tạo Đứng đầu là công ty Intel và rất nhiều công ty khác như: AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI…Ngoài ra các công ty khác cũng có các họ vi điều khiển riêng như:

2.2.2 KHẢO SÁT HỌ VI ĐIỀU KHIỂN AT89XX

IC vi điều khiển AT89XX thuộc họ MCS-51 Có các đặc điểm sau:

 8 Kbyte Eprom bên trong

 128 byte Ram nội

 Port xuất/nhập I/O 8 bit

 Giao tiếp nối tiếp

 64 Kbyte vùng nhớ mã ngoài

 64 Kbyte vùng nhớ dữ liệu ngoài

 Xử lý Boolean (xử lý luận lí hoạt động trên bit đơn)

 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia.

2.2.2.1 CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA AT89XX

Hình 2.2.2.1 : Sơ đồ khối của của vi điều 89XX

Phần chính của vi điều khiển AT89XX là bộ xử lí trung tâm CPU (central Processing Unit) bao gồm:

 Thanh ghi tích lũy A

 Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia

 Đơn vị logic học (ALU: Arithmetic Logical Unit)

 Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word)

 Bốn Bank thanh ghi

 Con trỏ ngăn xếp

Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic

Đơn vị xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra còn

có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài

Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên trong Các nguồn ngắt có thể là : các biến cố ở bên ngoài, sự tràn

bộ đếm định thời hoặc cũng có thể là giao diện nói tiếp

Các cổng (port 0, port 1, port 2, port 3) được sử dụng vào mục đích điều khiển

Ở Port 3 còn có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bên ngoài, hoặc để giao tiếp nối tiếp và các đường ngắt dẫn bên ngoài.Giao tiếp nối tiếp có chứa một bộ truyền và bộ nhận không dồng bộ làm việc độc lập với nhau Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong dãi rộng và được ấn định bằng một bộ định thời.

Trong bộ vi điều khiển AT89XX có hai thành phần quan trọng khác đó là

2.2.2.2 CHỨC NĂNG CÁC CHÂN VI ĐIỀU KHIỂN

Hình 2.2.2.2: Sơ đồ chân vi điều khiển

 Port 0: là Port có hai chức năng từ chân 32 đến chân 39

Trong các hệ thống điều khiển đơn giản sử dụng bộ nhớ bên trong không dùng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì Port 0 được dùng làm các đường điều khiển IO (Input-Output)

Trong các hệ thống điều khiển lớn sử dụng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì Port 0 có chức năng là Bus dữ liệu AD7-AD0

 Port 1: Port 1 có số thứ tự chân từ 1-8 Port 1 chỉ có một chức năng dùng làm các đường điều khiển xuất nhập IO, Port 1 không có chức năng khác

Trong các hệ thống điều khiển đơn giản sử dụng bộ nhớ bên trong không dùng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì Port 2 được dùng làm các đường điều khiển IO (Input-Output).

Trong các hệ thống điều khiển lớn sử dụng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì Port 2

có chức năng là Bus dữ liệu AD8-AD15

 Port 3: là port có hai chức năng với số thứ tự chân từ 10-17 Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặt tính đặc biệt của 89XX như ở bảng sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

INT1\

T0T1WR\

RD\

Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp

Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

Bảng 2.2.2.2 : chức năng các chân port 3

 PSEN (Program Store Enable):

PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng và thường nối đến chân OE (Output Enable hoặc RD) của Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh

Khi có giao tiếp với bộ nhớ chương trình bên ngoài thì mới dùng đến PSEN, nếu không giao tiếp thì chân PSEN bỏ trống

PSEN ở mức thấp trong thời gian vi điều khiển lấy lệnh Các mã lệnh của chương trình đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong vi điều khiển để giải mã lệnh

 ALE (Address Latch Enable):

Tín hiệu ra ALE ở chân 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt

Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấp nên việc chốt địa chỉ được thực hiện một cách hoàn toàn tự động.

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động của tụ thạch anh gắn vào vi điều khiển và có thể dùng tín hiệu xung ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần khác của hệ thống

Trong chế độ lập trình cho bộ nhớ nội của vi điều khiển thì chân ALE được dùng làm ngõ vào nhận xung lập trình từ bên ngoài để lập trình cho bộ nhớ flash rom trong vi điều khiển

 Các ngõ vào bộ dao động trên chip:

Vi điều khiển AT89XX có một bộ dao động trên chip Nó được nối với thạch anh giũa hai chân 18 và 19 Tần số thường sử dụng là 12 MHz

 Các chân nguồn:

89XX vận hành với nguồn đơn +5VDC VCC được nối vào chân 40 và

Vss(GND) được nối với chân 20

Chương III : Thiết kế và thi công

3.1 Nhiệm vụ thiết kế :

Nhiệm vụ cần thực hiện là thiết kế một mạch đo khoảng cách từ 0-300 cm dùng sóng siêu âm và điều chỉnh độ chính xác của mạch đo theo nhiệt độ

o Thiết kế mạch tạo xung phát sóng.

o Thiết kế khối xử lý tín hiệu thu.

o Thiết kế bộ đếm.

o Thiết kế khối khống chế bộ đếm và hiển thị vận tốc truyền theo nhiệt độ.

o Thiết kế khối nguồn.

3.2 Thiết kế mạch tạo xung phát :

 Biến tử phát (sensor transmitter)

Hình 3.1 : cặp biến tử siêu âm

Nhiệt độ chịu đựng tối thiểu -30°C

Nhiệt độ chịu đựng tối đa 80°C

Bảng 3.1 : Bảng thông số biến tử thu

 Dao động tạo xung vuông 40Khz:

Có nhiều dạng mạch dao động tạo xung vuông khác nhau

3.2.1 Dao động dùng KĐTT (Op-amp)

+