Tìm hiểu về cảm biến siêu âm loại SRF05 và giao tiếp giữa vi điều khiển 8051 với cảm biến SRF05

Tìm hiểu về cảm biến siêu âm loại SRF05 và giao tiếp giữa vi điều khiển 8051 với cảm biến SRF05

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ

  

TIỂU LUẬN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010

rước tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu trường Đại Học Công Nghiệp TpHCM đã tạo điều kiện cho chúng em có một môi trường học tập tốt với cơ sở khang trang đầy đủ tiện nghi, tạo điệu kiện thuận lợi cho việc học tập và làm tiểu luận của em.

hướng dẫn, đã tạo nhiều điều kiện, hướng dẫn tận tình cụ thể, phát huy cho em tính

tự học, tự tìm hiểu và khảo sát các linh kiện điện tử và cách thức hoạt động cùa chúng, cụ thể là vi xử lý 8051; hình thành cho em phương pháp nghiên cứu, tìm tòi, tiếp cận với các công nghệ vi điều khiển.Trau dồi cho em kỹ năng học tập năng động và sáng tạo, giúp cho em tiếp cận các hệ thống xử lý thông minh trong thực

tế một cách thiết thực hơn Không có gì quý giá hơn lời cảm ơn, lời cảm ơn chân thành và kính trọng xin gửi đến các quý thầy cô giáo.

MỤC LỤC TRANG

Lời mở đầu 4

Phần mở đầu 5

1.Một số loại cảm biến siêu âm 5

2.Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF 6

3.Một số vi điều khiểu họ 8051 7

Phần nội dung 8

1.Cảm biến siêu âm và đặc điểm kỹ thuật 8

2.Vi điều khiển 8051 13

3.Giao tiếp giữa 8051 với cảm biến siêu âm SRF05 14

4.Một số ứng dụng của SRF05 với bộ vi điều khiển 17

Phần kết luận 19

Tài liệu tham khảo 19

ự học và nghiên cứu là một vấn đề quan trọng không thể thiếu trong sự nghịêp học vô bờ Bài tiểu luận này được xây dựng dựa trên những hiểu biết của em có được từ việc đọc và dịch các tài liệu có liên quan, từ đó đúc kết nên theo cách hiểu của cá nhân mình Bố cục của bài tiểu luận này gồm có 3 phần :

T

điều khiển 8051.

Em rất mong được sự nhận xét chân tình và đánh giá cụ thể của thầy cùng sự góp ý mật thiết của các bạn trong lớp.

Dù đã được bổ sung nhiều lần, nhưng bài tiểu luận không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Rất mong được sự đóng góp và phê bình của thầy để em có thể làm tốt hơn ở những bài tiều luận khác.

PHẦN MỞ ĐẦU : GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC

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

1.1 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

1.2 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

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 /

SRF04 Kỹ thuật

số 3 cm 3 m 45 ° Một 100 μs - 36 mss - 36 ms

SRF05 Kỹ thuật

số 3 cm 4 m 45 ° Một 100 μs - 36 mss - 36 ms

*: 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

3 Một số loại vi điều khiển họ 8051 :

Sơ đồ chân vi điều khiển 8052/8031

PHẦN NỘI DUNG :

CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051

1 Cảm biến siêu âm SRF05 và đặc điểm kỹ thuật

1.1 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

1.2 Các chế độ của SRF05

1.2.1 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

1.2.2 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 echo

Range 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:

1.3.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.

+ 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 Vi điều khiền 8051:

Một số đặc tính cơ bản :

- Bộ nhớ chương trình bên trong: 4 KB (ROM)

- Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)

- Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64 KB (ROM)

- Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64 KB (RAM)

- 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit

- 2 bộ định thời 16 bit

- Mạch giao tiếp nối tiếp

- Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẽ)

- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit- Nhân / Chia trong 4 us

-Sơ đồ chân 8051

3.Giao tiếp giữa 8051 với cảm biến SRF05

-Các cảm biến siêu âm SRF05 cần một mạch đơn giản: nguồn 5V, một đầu vào tín

hiệu kích hoạt và đầu ra phản hồi Bộ cảm biến được kết nối với một PIC18F4420 cho đầu vào, đầu ra và tính toán khoảng cách

Danh sách phần cứng để kết nối:

+ Phạm vi tìm kiếm bằng siêu âm SRF05

+ PIC18F4420 Vi xử lý

+ Winford R-11 tiêu đề

+ Vi mạch MPLAB ICD 2

+ Vi mạch MPLAB IDE

+ Ardin 39,3216 MHz đồng hồ Crystal

+ Nguồn điện 5V

-Các đầu vào kích hoạt được kết nối với Pin20 của bộ vi xử lý và đầu ra phản hồi được kết nối với Pin21

Một xung chiều rộng 10 micro giây được gửi tới các đầu vào và sau đó kích hoạt đầu vào được bật off

Sau đó, dòng phản hồi kết quả được bật, khi đó nhận được tín hiệu phản hồi Thời gian phản hồi là 1 tín hiệu xác định thời gian thực hiện cho xung để trở về sau khi nảy ra khỏi đối tượng Đầu ra phản hồi được gửi đến một chuyển đổi Analog và số trong bộ đếm HEX Ngõ ra sau đó được chuyển thành khoảng cách khi biết vận tốc và thời gian của tín hiệu Thời điểm của mạch được điều khiển bởi một đồng hồ được thiết lập đến 400 MHz Winford R-11 là tiêu đề trên được sử dụng cho chương trình vi xử lý

+Sơ đồ dây nối cảm biến siêu âm SRF05 với bộ vi điểu khiển và đồng hồ

+Nguyờn lý hoạt động : Bộ vi điều khiển nhận cỏc tớn hiệu từ mụi trường bờn ngoài

thụng qua bộ biến đổiADC, được sử dụng để thu dữ liệu Cỏc mỏy tớnh số chỉ sử dụng giỏ trị thập phõn, nhưng trong thực tế là cỏc đại lượng vật lý như : vận tốc, nhiệt độ, ỏp suất ; Do đú, cần cú bộ biến đổi để chuyển cỏc đại lượng vật lý thành cỏc tớn hiệu điện hoặc điện ỏp, cỏc bộ điều khiển cú thể được coi như là cỏc cảm biến Cỏc cảm biến cú thể cho ra tớn hiệu dạng dũng điện hoặc điện ỏp ở dạng liờn tục

4 Một ứng dụng của SRF05 và bộ vi điều khiển : Vi mạch Schematic (giản đồ)

Các đại l ợng vật lý (nhiệt độ, áp suất, l u tốc v.v)

Bộ biến đổi

Phối hợp tín hiệu

ADC

Bộ vi điều khiển

+Chế độ 1 hoạt động : Trong sơ đồ sau đây, hai kỹ thuật số I / O pins của một

BrainStem GP 2,0 được cấu hình để xử lý các ECHO và dòng Init của SRF05 module khác nhau Pin ECHO là dây dẫn đến cổng số pin GP 1 Đây là dòng mà sẽ nhận được giá trị được đo bằng SRF05 Các pin ECHO phải có khả năng sử dụng các đầu vào Ptimer chụp để đo chiều rộng của xung được tạo ra bởi các SRF05 Các pin init là dây vào các chân kỹ thuật số GP 0, pin này sẽ gửi một xung 10 USEC để bắt đầu vỡ âm, mạch được

hỗ trợ bởi một 6C Battery Pack

nhất cổng số được sử dụng cho init và cả đường ECHO của SRF05 Đối với sơ đồ này, init / line ECHO là dây vào chân số 1 GP Pin này có khả năng đo chuyển động của hệ thống

PHẦN KẾT LUẬN : NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÚC KẾT ĐƯỢC

+ Cảm biến siêu âm SRF05 là loại cảm biến được cấu thành từ hai bộ phận : bộ phận phát sóng âm và bộ phận thu sóng âm Ứng dụng của SRF05 được sử dụng rộng rãi, dùng để nhận biết các vật trong khoảng cách từ 3cm đến 4m và đo khoảng cách của vật Đặc tính vượt trội của SRF05 là ở chế độ 2

+ Cảm biến siêu âm SRF05 có khả năng kết nối với vi điều khiển 8051 tạo thành vi mạch điều khiển, ứng dụng của khả này được sử dụng trong một robốt dò đường tránh chướng ngại vật và đo khoảng cách

+ Trong công nghiệp các cảm biến siêu âm cũng có thể gặp phải nhiều sai xót do môi trường ngoài tác động lên cảm biến, do vậy cần có những bộ phận xử lý tín hiệu từ cảm biến

+ Ngày nay, người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển việc chế tạo các robot có gắn cảm biến siêu âm đồng thời với các cảm biến khác như laser, camera… kết hợp với các công nghệ của viễn thông như GPS, GSM nhằm nâng cao độ chính xác trong việc định vị cũng như thăm dò một khoảng không gian nào đó để xây dựng bản đồ

Tài liệu tham khảo

+Sonar faq, srf05tech, Application_Note_Ultrasonic

+HANS P MORAVEC, “Sensor Fusion in Certain

Grid for Mobiles Robots”

+Các trang web tham khảo: ant7.com, acroname.com, hobbyengineering.com,

cpu.word.com, metechvn.com, robotics.com

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HUỚNG DẪN