XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ

XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Công Biển XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Công Biển XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THƠNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thăng Long HÀ NỘI – 2005 Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn đến thày cô giáo nhà trường, người tâm huyết nhiệt tình truyền đạt tri thức cho hệ sinh viên trường Đại học Công nghệ Em xin gửi lời cảm ơn đến GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ TS Nguyễn Thăng Long tạo điều kiện cho em tham gia thực tập phịng thí nghiệm MEMS định hướng cho em trình thực tập làm khố luận Đặc biệt bảo nhiệt tình TS Nguyễn Thăng Long, thày trang bị cho em phương pháp luận nhiều kiến thức quan trọng giúp em hồn thành khố luận Em xin cảm ơn anh môn Vi điện tử Vi hệ thống nhiệt tình giúp đỡ em thời gian qua, cảm ơn bạn nhóm MEMS động viên, giúp đỡ thời gian thực nhóm Tóm tắt Hiện nay, với cơng nghệ mạch tích hợp cơng nghệ màng mỏng phát triển mạnh mẽ, công nghệ cảm biến từ cải tiến độ cảm nhận giảm thiểu kích thước, phù hợp ghép nối với thiết bị điện tử Các cảm biến từ ứng dụng rộng rãi thực tế, đặc biệt đo lường điều khiển Trong khoá luận này, em tập trung nghiên cứu cảm biến từ trở xây dựng thiết bị đo thay đổi từ trường, thiết bị ứng dụng để phát phương tiện giao thông Thiết bị xây dựng, để đưa vào ứng dụng rộng rãi, phải thỏa mãn yêu cầu như: độ ổn định cao, giá thành hạ, thuận lợi lắp đặt sử dụng… Từ đó, khố luận nghiên cứu vấn đề sau: • Một số loại cảm biến thường sử dụng để phát phương tiện giao thơng • Hiệu ứng từ trở dị hướng vật liệu • Xây dựng thiết bị phát phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ trở Các kết nghiên cứu bước đầu cho thấy thiết bị xây dựng xác định số thông số như: lưu lượng ô tô, vân tốc chúng qua điểm nút Đây tiền đề cho việc xây dựng hệ thống giám sát điều khiển giao thông thông minh tương lai Mục lục Chương Một số loại cảm biến sử dụng để phát phương tiện giao thông 1.1 Những thông số giám sát điều khiển giao thông 1.2 Một số loại cảm biến sử dụng để phát phương tiện giao thơng 1.2.1 Vịng cảm ứng từ 1.2.2 Radar .5 1.2.3 Camera 1.2.4 Cảm biến hồng ngoại 1.2.5 Cảm biến từ Chương Cảm biến từ trở di hướng AMR 11 2.1 Cơ vật liệu từ 11 2.2 Hiệu ứng từ trở dị hướng .12 Chương Ứng dụng cảm biến từ trở dị hướng để nhận biết phương tiện giao thông 18 3.1 Mô tả ứng dụng 18 3.1.1 Sơ đồ khối chức 18 3.1.1.1 Cảm biến từ trở HMC 1052 20 3.1.1.2 Khối khuếch đại 22 3.1.1.3 Khối biến đổi tương tự - số (ADC) .23 3.1.1.4 Khối truyền thông nối tiếp(UART) .25 3.1.1.5 Mạch thực tạo xung Set/Reset .26 3.2 Kết thực nghiệm nhận xét 29 Tài liệu tham khảo .36 Phụ lục .37 Phụ lục .38 Lời mở đầu Các thiết bị hoạt động dựa tác động từ trường sử dụng từ sớm, cách 2000 năm Những ứng dụng ban đầu chủ yếu việc xác định hướng, định vị trí… Ngày nay, cảm biến từ chủ yếu dùng ứng dụng đạo hàng, chúng ngày sử dụng nhiều ứng dụng khác ( như: cảm biến từ sử dụng đầu đọc cho băng đĩa, ổ lưu trữ liệu, mũi khoan…) Đặc biệt với cảm biến từ trở dị hướng, có độ cảm nhận cao, hoạt động vùng từ trường trái đất, sử dụng ứng dụng giao thông như: ứng dụng điều khiển ngang hệ thống đường sắt, điều khiển xe ơtơ tìm vị trí trống để đỗ xe, phát xe ơtơ… Vì vậy, em đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng thiết bị phát phương tiện giao thơng, triển khai thực tế nước ta Các hệ thống giám sát điều khiển giao thông sử dụng nhiều nước giới, chúng có ưu điểm: độ xác cao, hoạt động thông minh… Tuy nhiên nhược điểm quan trọng làm cho chúng áp dụng Việt Nam đặc điểm hạ tầng sở giao thông nước ta mang đặc thù riêng giá thành hệ thồng cao Ở nước ta có số nhóm nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát giao thông (như nhóm nghiên cứu trường ĐH GTVT, sử dụng xử lý hình ảnh để giám sát phương tiện giao thơng), nhiên chúng chưa triển khai thực tế Vì thiết bị giám sát giao thơng hoạt động ổn định có độ xác cao, giá thành thấp có ý nghĩa quan trọng để xây dựng hệ thống mạng giám sát giao thông thành phố hay tuyến đường cao tốc vùng ngoại thành… Trên thực tế có nhiều phương pháp để nhận biết phương tiện giao thông, sử dụng nhiều loại cảm biến từ đơn giản đến tinh vi như: vòng từ, radar, cảm biến từ, phát sóng siêu âm, camera… Những loại cảm biến có ưu điểm nhược điểm riêng Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp cần thiết để xây dựng thiết bị mong muốn Trong khố luận này, em tìm hiểu số loại cảm biến thông thường sử dụng thực tế số nước giới, hệ thống giám sát giao thông Cảm biến phù hợp lựa chọn để xây dựng thiết bị thiết bị phải kiểm nghiệm thực tế yêu cầu đặt Chương Một số loại cảm biến sử dụng để phát phương tiện giao thông 1.1 Những thông số giám sát điều khiển giao thông Một hệ thống quản lý giao thông, bản, chia làm ba khối chức chính: • Khối thu thập liệu: Khối có chức thu thập liệu mơ tả tình trạng luồng giao thông tuyến đường, truyền thông tin tới trạm thu nhận hệ thống • Khối xử lý thơng tin: Khối thu thập thơng tin tình trạng giao thơng, xử lý thơng tin đó, đưa giải pháp để tối ưu hố q trình giao thơng • Khối điều khiển giao thông: Dựa thông tin thu nhận xử lý, hệ thống điều khiển đưa định như: phân luồng giao thơng, cảnh báo khả tắc ngẽn xay ra, cảnh báo tai nạn… Những thông tin cung cấp cho hệ thống quản lý giao thơng gồm có: lưu lượng, tốc độ phương tiện, hiệu suất chiếm chỗ tuyến đường, độ dài hàng đợi xảy tắc ngẽn… Lưu lượng (Volume): Lưu lượng giao thông định nghĩa số phương tiện khảo sát tính tốn đoạn đường giao thông khoảng thời gian Thông số thường sử dụng để đánh giá chất lượng hoạt động giao thông Thông số lưu lượng phương tiện giao thông sử dụng để theo dõi hoạt động giao thông thời điểm lịch sử từ dự đốn khả xảy tắc ngẽn giao thông tương lai đường [8] Tốc độ (Speed): Tốc độ phương tiện tham gia giao thông thông số quan trọng định đến chất lượng hoạt động giao thông Tốc độ thường sử dụng để mơ tả hoạt động giao thơng đơn giản dễ hiểu Đo tốc độ thường thực loại phương tiện giao thông, sau lấy trung bình Tốc độ đo được so sánh với giá trị tối ưu để đánh giá mức độ hoạt động tuyến đường, xác định va chạm xảy Ví dụ: hệ thống cảnh báo va chạm xảy tốc độ trung bình giảm xuống tốc độ yêu cầu, tốc độ phương tiện cao [8] Hiệu suất chiếm chỗ (Occupancy): Được định nghĩa tỉ lệ thời gian mà phương tiện có mặt đoạn đường thường sử dụng thay cho thông số mật độ phương tiện giao thông Hiệu suất chiếm chỗ đoạn đường xác định theo dõi phát phương tiện, từ ta dễ dàng xác định mật độ phương tiện giao thông Hiệu suất chiếm chỗ đoạn đường có giá trị từ (khi khơng có phương tiện qua đoạn đường này) đến 100 (khi mà phương tiện giao thông đỗ tồn đoạn đường đó) [8] Các thơng số lưu lượng, tốc độ, hiệu suất chiếm chỗ, thông tin truyền thống sử dụng hệ thống giám sát giao thông Nhưng hệ thống giám sát quản lý giao thơng ngày cịn sử dụng thông tin khác như: thời gian hoạt động phương tiện đường, vị trí phương tiện giao thơng, vị trí luồng giao thơng, vị trí phương tiện phục vụ cho nhiệm vụ khẩn cấp, độ dài hàng đợi phương tiện xảy tắc ngẽn, điều kiện mặt đường giao thông (như: độ ẩm, nhiệt độ, băng tuyết…), điều kiện khí quyển… 1.2 Một số loại cảm biến sử dụng để phát phương tiện giao thông Trong thực tế có nhiều loại cảm biến nghiên cứu ứng dụng để phát phương tiện giao thông Ở đề cập ngắn gọn số loại cảm thông biến thương sử dụng 1.2.1 Vòng cảm ứng từ Vòng cảm ứng từ loại cảm biến đơn giản dựa sở định luật Faraday Theo đó, vịng dây đặt từ trường biến thiên, tạo điện áp tự cảm tỷ lệ với độ biến thiên từ trường xung quanh cuộn dây dφ (1.1) e(t ) = − dt Cuộn cảm ứng từ tương đương với mạch dao động LC Mạch dao động có điện áp lối phụ thuộc vào tần số dao động mạch Hình vẽ 1, mơ tả mạch dao động bao gồm cuộn cảm L mắc nối tiếp điện trở R tụ C [6] Hình Giá trị điện áp lối phụ thuộc vào tần số dao động cuộn dây, độ lớn từ trường Dự sở này, người ta xây dựng thiết bị phát phương tiện giao thông sử dụng vòng cảm ứng từ Thiết bị cảm biến với xuất vật thể kim loại Vịng cảm ứng thay đổi trở kháng có vật thể kim loại xuất xung quanh Thiết bị loại thường gồm phần (hình 2): vòng dây (hoặc nhiều vòng dây) gắn bề mặt đường, cặp đầu dây nối từ vòng cảm ứng từ đến thu nhận tín hiệu đặt bên cạnh đường, đầu dây nối từ hộp thu nhận tới điều khiển, khối điện tử đặt cabin điều khiển Khối điện tử điều khiển bao gồm dao động khuếch xử lý tín hiệu thu từ vịng dây Khi có phương tiện giao thơng qua vịng cảm ứng từ dừng vòng này, làm thay đổi trở kháng vịng dây, làm cân mạch, kết làm thay đổi tần số dao động mạch Sự thay đổi dao động phát khối mạch điện tử phương tiện giao thơng phát Hình Mơ tả vịng cảm ứng sử dụng để phát phương tiện giao thơng Kích thước, hình dạng cấu hình vịng dây phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Bởi tính linh hoạt cấu hình vịng cảm ứng, nên phù hợp để phát nhiều loại phương giao thông khác Các phát phương tiện giao thông sử dụng vịng cảm ứng từ phát xuất phương tiện, đếm phương tiện, xác định hiệu suất chiếm chỗ đoạn đường Với vịng cảm ứng từ khơng thể xác định trực tiếp tốc độ phương tiện Với cấu hình sử dụng hai vịng cảm ứng, thuật tốn thích hợp ta xác định thơng số tốc độ phương tiện Với vòng cảm ứng từ tốt khối điện tử xử lý thích hợp, thơng tin thu từ thiết bị phân loại phương tiện giao thông Hoạt động vòng cảm ứng từ đơn giản dễ hiểu, cung cấp thông số giao thông Giá thành chế tạo thiết bị sử dụng vòng cảm ứng từ thấp so với công nghệ cảm biến không phá huỷ mặt đường như: phương pháp sủ dụng Camera, sử dụng radar… Điều hạn chế việc sử dụng vòng cảm ứng từ phải phá huỷ đường giao thông cài đặt sửa chữa Ngồi vịng cảm ứng từ chịu tác động nhiệt độ [7] 1.2.2 Radar Radar (Radio Detection And Ranging) dùng sóng viba đặt bên lề tuyến đường giao thơng, với bước sóng sử dụng thường vùng tần số 10.525 GHz (vùng tần số tia X) Radar phát lượng vùng đường, độ rộng vùng điều khiển được, gọi vùng quan sát Một phần lượng phát bị phản xạ phương tiện giao thơng đến cảm biến Tại cảm biến phát chuyển đổi thành thơng tin giao thơng Có thể sử dụng cảm biến kết nối nhiều cảm biến, đặt bên lề đường giao thông [7] tốc mà thiết bị phát Trong thực nghiệm, xác định giới hạn khó khăn Tuy nhiên theo lý thuyết, giới hạn hoàn toàn xác định Thông qua vùng phát thiết bị tốc độ thu nhận liệu máy tính xử lý, giới hạn vận tốc xác định Về bản, cảm biến phát nhiễu loạn từ trường tới tần số 15MHz, tốc độ biến đổi ADC đạt 2.000 mẫu/s Các thao tác xử lý việc truyền thơng thiết bị máy tính làm cho tốc độ lấy mẫu thực đạt máy tính 30 mẫu/second Như thời gian hai mẫu : = 0.033 (s) 30 Do vận tốc đạt là: ≈ 90 (m / s ) ≈ 324 (km / h) 0.033 Trong thực tế điều kiện giao thơng nước ta, giới hạn chấp nhận Với nhiều phép đo thực nhiều thời điểm ngày, cho phép đưa lưu đồ thể lưu lượng xe qua điểm nút đặt thiết bị ngày Điều có ý nghĩa cần giám sát hoạt động giao thông đường, đường xa lộ, đường cao tốc…Ví dụ: hệ thống quản lý cảnh báo khả tắc ngẽn xảy thời điểm ngày Hình 28 Cấu hình sử dụng hai cảm biến đặt cách 2m Trên sở phát xe ơtơ, thiết bị cải tiến để xác định tốc độ xe ơtơ Bằng cấu hình sử dụng hai cảm biến đặt cách s = m, ta xác định xác vận tốc chúng Thơng qua xác định thời điểm xe qua hai cảm biến, t1 t2, vận tốc xe xác định 33 ∆t = t − t v= (2.2) s ∆t Một vấn đề đặt nhận biết xác xe qua cảm biến để xác định thời điểm qua cảm biến xe Do đặc điểm cấu hình linh kiện phụ điện tử thụ động khác thiết bị, nên tín hiệu thu từ hai cảm biến xe khơng hồn tồn giống (về độ rộng tín hiệu biến đổi, biên độ biến đổi…) Trong sai khác cho phép hai tín hiệu thu từ hai cảm biến, thiết bị nhận biết xe Trong điều kiện bình thường, xe ơtơ chạy khoảng cách an tồn việc phân biệt xe dễ dàng Vận tốc thu vận tốc tức thời xe thời điểm qua thiết bị Để giám sát hoạt động giao thông vùng, cần thiết có nhiều thiết bị đặt nhiều vị trí kết nối với trạm trung tâm Tuy nhiên cơng việc địi hỏi có đầu tư lớn nhiều mặt Thiết bị xây dựng sở cho việc xây dựng hệ thống lớn tương lai 34 Kết luận Thiết bị chúng tơi xây dựng có khả nhận biết xe ôtô chúng chuyển động qua khoảng cách không m Thuật toán đếm xe áp dụng cho thiết bị, kiểm nghiệm thực tế, thu kết khả quan với độ xác 92% Phần cứng thiết bị xây dựng có khả tính vận tốc xe ơtơ chúng qua điểm khả sát Trong thời gian gấn, nâng cấp phần mềm để đếm xe xác hơn, xác định tốc đô xe ôtô chúng qua Các kết thu thực nghiệm điểm nút giao thông cầu vượt Mai Dịch, bước đầu khảo sát độ xác ứng dụng Thiết bị xác định thông số lượng xe chuyển động qua điểm, hồn tồn có khả xác định thông số vận tốc xe nâng cấp phần mềm.Việc xây dựng khối đo thành công đảm bảo cho khả xây dựng mạng khối đo Các khối đo đặt nhiều điểm nút giao thơng Đó sở để xây dựng hệ thống giám sát giao thơng hồn thiện 35 Tài liệu tham khảo [1] GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ, “Vật lý tượng từ”, NXB ĐHQG Hà nội [2] Micheal J.Caruso, Lucky S.Withanawasam, “Vehicle detection and Compass Applications using AMR Magnetic sensors” [3] Application Notes AN-201, 202, 204, and 207 Honeywell SSEC, www.ssec.honeywell.com [4] B.B.Pant, “Magnetoresistive Sensors”, Scientific Honeyweller [5] “1, and 3-axis magnetic sensors”, Datasheets, www.ssec.honeywell.com [6] Steven A.Macintyre, “Magnetic Field Measurement” [7] “A summary of Vehicle Detection and Surveillance Technologies used in Intelligent Transportation Systems” [8] “Freeway Operations Handbook”, Chapter15: “Detection and Surveillance” http://ops.fhwa.dot.gov/Travel/traffic/freeway_management_handbook/chapte r15_01.htm 36 Phụ lục Một số tín hiệu thu tương ứng với xe ơtơ chuyển động qua thiết bị 37 Phụ lục Mã chương trình viết cho vi xử lý AT90S8535 /**************************************************************/ // Chuong trinh thuc hien gui cac gia tri ADC bien doi duoc /**************************************************************/ #include"io8535v.h" #include"macros.h" #include"math.h" void Init_adc0(); void Init_adc1(); void Init_uart(); void send_byte(unsigned char temp); void delay(unsigned int interval); /**********************************************************/ void main() { unsigned char low_byte_0,high_byte_0,low_byte_1,high_byte_1; unsigned char tmp_low_0,tmp_high_0,tmp_low_1,tmp_high_1; unsigned int i; low_byte_0=0; high_byte_0=0; low_byte_1=0; high_byte_1=0; tmp_low_0=0; tmp_high_0=0; tmp_low_1=0; tmp_high_1=0; Init_uart(); SREG|=0x80;//Enable global interrupt //Get data from AMR sensor (with 2-sensitive axis) //firstly X-axis, then Y-axis while(1) { //Use ADC0 Init_adc0(); 38 ADCSR|=0x40;//Start conversion while((ADCSR & 0x10)==0x00){;}//Waiting for ADC conversion complete tmp_low_0=ADCL; tmp_high_0=ADCH; delay(3); Init_adc1(); low_byte_0=tmp_low_0 & 0x7F; high_byte_0=((tmp_high_07); ADCSR|=0x40;//Start conversion while((ADCSR & 0x10)==0x00){;}//Waiting for ADC conversion complete tmp_low_1=ADCL; tmp_high_1=ADCH; //Encode the data low_byte_1=tmp_low_1 & 0x7F; high_byte_1=((tmp_high_17); //Gui du lieu theo khung duoc dinh dang Frame= 0xFF send_byte(0xFF); delay(20); //Gui du lieu kenh X send_byte(low_byte_0); delay(20); send_byte(high_byte_0); delay(20); //Gui du lieu cua truc Y send_byte(0xFE); delay(20); send_byte(low_byte_1); delay(20); send_byte(high_byte_1); delay(10); } 39 } /*************************************************************/ void Init_adc0() { ADCSR=0x80;//ADEN_ADSC_ADFR_ADIF_ADIE_ADPS2_ADPS1_ADPS0 ADMUX=0x00;//Channel } /*************************************************************/ void Init_adc1() { ADCSR=0x80;// ADMUX=01;//Select channel } /*************************************************************/ void Init_uart() { UBRR=51;//Chon toc Baud =9600 UCR=0x18; //1111 1000 //RXCIE_TXCIE_UDRIE RXEN_TXEN_CHR9_TXB8_RXB8 } /*************************************************************/ void delay(unsigned int interval) { unsigned int i,j,k; for (i=0;i 10 Counter = Detected = True IGNORE_0: tmp = In_Port() If tmp = 255 Then ' Khung du lieu cua truc X tmp = In_Port() ' Nhan byte thap truoc low_byte_0 = CByte(tmp) tmp = In_Port() ' Nhan byte cao high_byte_0 = CByte(tmp) Else GoTo IGNORE_0 End If ADCL_0 = low_byte_0 + ((high_byte_0 Mod 2) * 128) ' Tmp_ADCL | ((Tmp_ADCH & 0x01)