Nghiên cứu, chế tạo mạch cảnh báo và xử lý tốc độ Robot tự hành khi gặp chướng ngại vật

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 DANH MỤC HÌNH 5 LỜI CẢM ƠN 7 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8 LỜI MỞ ĐẦU 9 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 10 1.1.Tổng quan về cảm biến. 10 1.1.1.Khái niệm. 10 1.1.2.Phân loại. 10 1.2.Một số vấn đề khi thiết kế và sử dụng cảm biến. 13 1.2.1.Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến. 13 1.2.2.Sai số của phép đo. 14 1.2.3.Độ nhạy của cảm biến. 14 1.2.4.Độ nhanh thời gian hồi đáp. 15 1.2.5.Giới hạn sử dụng. 15 1.3.Giới thiệu chung về các loại cảm biến siêu âm. 15 1.3.1.Một số loại cảm biến siêu âm: 15 1.3.2.Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF. 16 1.3.3.Tầm quét của cảm biến siêu âm. 17 1.3.4.Thông số kỹ thuật củatừng loại loại cảm biến siêu âm. 18 1.3.5.Một số ứng dụng của cảm biến siêu âm. 22 1.4.Cảm biến siêu âm SRF05. 24 1.4.1.Khái niệm. 24 1.4.2.Các chế độ của SRF05. 24 1.4.3.Tính toán khoảng cách. 27 1.4.4.Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05. 28 CHƯƠNG II: Các Họ Vi Điều Khiển và LCD Hiển Thị 31 2.1.Tổng quan về họ vi điều khiển AVR 31 2.2.Chi tiết về chip AVR Atmega8 2.2.1.Tổng quan 33 2.2.3.Cách hoạt động 39 2.2.4 Bộ định thời của AT mega8 41 2.2.4.Cấu trúc ngắt của ATmega8 46 2.2.5.Các bộ phận ngoại vi khác 50 2.2.6.Hệ thống xung CLOCK và lập trình bộ nhớ ON – CHIP 55 2.3.LCD VÀ HIỂN THỊ. 55 2.3.1.Phân loại LCD. 55 2.3.2.Giới thiệu sơ đồ chân LCD 16x2. 56 2.3.3.Tập lệnh của LCD. 57 2.3.4.Nguyên tắc hiển thị kí tự trên LCD. 59 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM. 62 3.1.Ý tưởng thiết kế. 62 3.2.Xây dựng sơ đồ khối tổng quát. 62 3.3.Nguyên lý hoạt động của mạch. 63 3.3.1.Nguyên tắc chung. 63 3.3.2.Nguyên lý hoạt động chi tiết của mạch. 64 3.4.Sơ đồ mạch nguyên lý 66 3.5.Chức năng từng khối. 67 3.5.1.Khối Nguồn 67 3.5.2.Khối cảm biến siêu âm SRF05. 68 3.5.3.Khối xử lý. 70 3.5.4.Khối hiển thị. 71 3.5.5.Khối Động cơ 72 3.6.Thiết kế mạch in và thi công. 73 3.6.1.Sơ đồ mạch in. 73 3.6.2.Lắp ráp và hoàn thiện mạch. 74 3.6.3. Hình ảnh sản phẩm thực tế. 75 KẾT LUẬN 76 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN.....................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC HÌNH 5

LỜI CẢM ƠN 7

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 10

1.1.Tổng quan về cảm biến 10

1.1.1.Khái niệm 10

1.1.2.Phân loại 10

1.2.Một số vấn đề khi thiết kế và sử dụng cảm biến 13

1.2.1.Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến 13

1.2.2.Sai số của phép đo 14

1.2.3.Độ nhạy của cảm biến 14

1.2.4.Độ nhanh- thời gian hồi đáp 15

1.2.5.Giới hạn sử dụng 15

1.3.Giới thiệu chung về các loại cảm biến siêu âm 15

1.3.1.Một số loại cảm biến siêu âm: 15

1.3.2.Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF 16

1.3.3.Tầm quét của cảm biến siêu âm 17

1.3.4.Thông số kỹ thuật củatừng loại loại cảm biến siêu âm 18

1.3.5.Một số ứng dụng của cảm biến siêu âm 22

1.4.Cảm biến siêu âm SRF05 24

1.4.3.Tính toán khoảng cách 27

1.4.4.Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 28

CHƯƠNG II: Các Họ Vi Điều Khiển và LCD Hiển Thị 31

2.1.Tổng quan về họ vi điều khiển AVR 31

2.2.Chi tiết về chip AVR Atmega8 2.2.1.Tổng quan 33

2.2.3.Cách hoạt động 39

2.2.4 Bộ định thời của AT mega8 41

2.2.4.Cấu trúc ngắt của ATmega8 46

2.2.5.Các bộ phận ngoại vi khác 50

2.2.6.Hệ thống xung CLOCK và lập trình bộ nhớ ON – CHIP 55

2.3.LCD VÀ HIỂN THỊ 55

2.3.1.Phân loại LCD 55

2.3.2.Giới thiệu sơ đồ chân LCD 16x2 56

2.3.3.Tập lệnh của LCD 57

2.3.4.Nguyên tắc hiển thị kí tự trên LCD 59

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM 62

3.1.Ý tưởng thiết kế 62

3.2.Xây dựng sơ đồ khối tổng quát 62

3.3.Nguyên lý hoạt động của mạch 63

3.3.1.Nguyên tắc chung 63

3.3.2.Nguyên lý hoạt động chi tiết của mạch 64

3.4.Sơ đồ mạch nguyên lý 66

3.5.Chức năng từng khối 67

3.5.1.Khối Nguồn 67

3.5.2.Khối cảm biến siêu âm SRF05 68

3.5.3.Khối xử lý 70

3.5.4.Khối hiển thị 71

3.5.5.Khối Động cơ 72

3.6.Thiết kế mạch in và thi công 73

3.6.1.Sơ đồ mạch in 73

3.6.2.Lắp ráp và hoàn thiện mạch 74

3.6.3 Hình ảnh sản phẩm thực tế 75

KẾT LUẬN 76

CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của SRF05 18

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của SRF10 19

Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật của SRF235 20

Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật của SRF08 21

Bảng 2.19: Sơ đồ chân LCD 16x2 56

Bảng 2.20: Mã lệnh của LCD 58

Bảng 2.21: Tập lệnh của LCD 59

Bảng 2.22: Các bit viết tắt trong mã lệnh LCD 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hiệu ứng nhiệt điện 11

Hình 1.2: Hiệu ứng áp điện 11

Hình 1.3: Hiệu ứng cảm ứng điện từ 11

Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện 12

Hình 1.5: Hiệu ứng Hall 12

Hình 1.6: Sơ đồ ứng dụng Cds 13

Hình 1.7: Một số loại cảm biến siêu âm 16

Hình 1.10: Cảm biến siêu âm SRF05 18

Hình 1.11: Cảm biến siêu âm SRF10 19

Hình 1.12: Cảm biến siêu âm SRF235 20

Hình 1.13: Cảm biến siêu âm SRF08 21

Hình 1.14: Ứng dụng của cảm biến siêu âm đo chất lỏng 22

Hình 1.15: Ứng dụng của cảm biến siêu âm đo khoảng cách, độ cao, vị trí 22

Hình 1.16: Ứng dụng của cảm biến siêu âm Phát hiện chiều cao 23

Hình 1.17: Ứng dụng của cảm biến siêu âm Phát hiện xe 23

Hình 1.18: Cảm biến siêu âm SRF05 24

Hình 1.19: Chế độ 1 của SRF05 25

Hình 1.21: Giản đồ định thời SRF05, chế độ 2 27

Hình 1.22:Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm SRF05 28

Hình 1.23: Nguyên tắc cơ bản của sonar 29

Hình 2.1 Sơ đồ khối cấu trúc vi điêu khiển AVR 2.2.2.Cấu trúc bộ nhớ và cổng

vào ra A Cấu trúc bộ nhớ 35

Hình 2.6: Hình dạng thực tế LCD 16x2 56

Hình 2.7: Sơ đồ chân LCD 16x2 57

Hình 3.1:Sơ đồ khối tổng quát 63

Hình 3.2: Sơ đồ hoạt động chi tiết của mạch 65

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch 66

Hình 3.4: Khối nguồn 67

Hình 3.5: Khối cảm biến siêu âm SRF05 68

Hình 3.6: Giản đồ định thời SRF05, chế độ 1 69

Hình 3.8: Khối hiển thị dùng LCD 16x2 71

Hình 3.9: Khối Động Cơ 72

Hình 3.10: Sơ đồ mạch in đo khoảng cách dùng cảm biến siêu âm 73

Hình 3.10: Sản Phẩm thực tế 75

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáotrong trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội nói chung và các thầy cô giáo trongkhoa Điện Tử nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em nhữngkiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt 4 năm ngồi trên giảng đường qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến cô Dương Thanh Hằng, cô đã tận tìnhgiúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốtnghiệp Trong thời gian làm việc với cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiềukiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứukhoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quátrình học tập và công tác sau này

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã độngviên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoànthành đồ án tốt nghiệp

Đồ án này được hoàn thành không thể tránh khỏi những thiếu sót nhấtđịnh Em mong nhận được sự góp ý quý báu của các thầy cô giáo và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, Năm 2016.Sinh viên thực hiện

Lê Huy Hoàng

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog-to digital Converter tương tự - thông tin sốBộ biến đổi thông tinALU Arithmetic logic unit Đơn vị số học-lôgicCMOS Complementary metal-oxidesemiconductor Chất bán dẫn kim loạiCPU Central Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâmDIP Dual-in-line package Vỏ hai hàng chân

EPROM Erasable programmable read-only memory

Là kiểu bộ nhớ ROM cóthể được ghi lại chươngtrình bằng cách chiếu nóbằng tia cực tím sau khi đã

tháo vỏ bảo vệ

IC Intergrated circuit Vi mạch tích hợp

ISP Instruction set processor Bộ xử lý tập lệnh

LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏngOTP One time programmable Bộ nhớ chỉ lập trình đượcmột lần

PSW Program status word Từ trạng thái chương trìnhPROM Prommable read-only memory ROM lập trình được

RAM Random access memory Bộ nhớ truy nhập ngẫunhiên

UART Universal AnsynchronousReceiver and Tranmistter Bộ truyền nhận dữ liệukhông đồng bộ

LỜI MỞ ĐẦU

Theo thống kê mới nhất của Cục Cục cảnh sát Đường Bộ - Đường sắt –

Bộ Công an, trong năm 2015, cả nước có hơn 8.700 người chết vì tai nạn giaothông (TNGT) Số người chết giảm so với năm 2014 và đây được cho là kết quảkhả quan trong công tác đảm bảo trật tự an toàn giao thông

Tuy nhiên, đáng lưu ý là thời gian gần đây, số vụ tai nạn giao thông trêncác tuyến đường cao tốc có dấu hiệu gia tăng Cả nước hiện có hơn 500 kmđường cao tốc, nguyên nhân chủ yếu gây tai nạn là do các thiết bị an toàn nhưphanh, nổ lốp xe Đặc biệt chủ yếu là do trường hợp lái xe không tự kiểm soátđược tốc độ phương tiện, gây ra nhiều tay nạn nghiêm trọng khi tham gia giaothông

Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện

tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và đời sống xã hội Trong lĩnh vựcđiều khiển, từ khi kỹ thuật vi điều khiển ra đời đã và đang mang đến những thayđổi to lớn trong khoa học và công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày

Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, với hàng loạt cácphát minh, các sản phẩm điện tử mới ra đời, một trong số các thành tựu nổi bậtphải nói đến là việc phát hiện và ứng dụng cảm biến siêu âm kết nối với vi điềukhiển atmega, tạo thành vi mạch điều khiển được sử dụng trong một robốt dòđường tránh chướng ngại vật, đo khoảng cách…

Xuất phát từ các ứng dụng trên, em đã lựa chọn đề tài:” Nghiên cứu, chế

tạo mạch cảnh báo và xử lý tốc độ Robot tự hành khi gặp chướng ngại vật”

làm đồ án tốt nghiệp của mình

Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm 3 chương:

Chương 1.Tổng quan về cảm biến.

Chương 2 Các họ vi điều khiển và LCD hiển thị.

Chương 3 Thiết kế mạch đo khoảng cách dùng cảm biến siêu âm.

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN1.1.Tổng quan về cảm biến.

1.1.1.Khái niệm.

Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của các đại lượng vật lý cần đo m

không có tính chất điện và cho ta ở đầu ra một đại lượng mang bản chất điện(như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) ký hiệu là s

Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m/s = f(m)

Quan hệ giữa s và m có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến.Song thực tế để

dễ sử dụng thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho nó có sự liên hệtuyến tính giữa biến thiên đầu ra và biến thiên đầu vào

((Đại lượng cần đo) m Cảm biến s(đặc trưng điện)

* Phân loại hiệu ứng:

- Hiệu ứng nhiệt điện

Hình 1.1: Hiệu ứng nhiệt điện.

Giữa các đầu của hai dây dẫn khác nhau về bản chất hoá học được hàn lạivới nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 thì trongmạch điện sẽ suất hiện một suất điện động e = F(T1, T2)

Nếu biết trước được T2 thì ta có thể suy ra T1 Thực tế, hiệu ứng nàyđược ứng dụng để chế tạo cặp nhiệt dùng để đo nhiệt độ

- Hiệu ứng áp điện

Hình 1.2: Hiệu ứng áp điện.

Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện thí dụ thạchanh, sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằngnhau nhưng trái dấu trên các mặt đối diện của vật

Trong thực tế, người ta ứng dụng hiệu ứng này để chế tạo cảm biến đolực, đo áp suất, gia tốc

- Hiệu ứng cảm ứng điện từ

- Hiệu ứng quang điện :

Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện.

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vậtliệu (thường là vật liệu bán dẫn) dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng

- Hiệu ứng Hall :

Hình 1.5: Hiệu ứng Hall.

Hiệu ứng Hall do nhà vật lý Hoa Kỳ Edwin Herber Hall nêu ra năm 1879

với nội dung : “Nếu cho dòng điện I chạy qua một phiến dẫn điện (thường là

bán dẫn) nằm trong một từ trường có từ cảm B thì trên hai bề mặt phiến sẽ xuất hiện một điện áp tỷ lệ với cường độ dòng điện I và độ từ cảm B Điện áp này gọi là điện áp Hall”.

Hiệu ứng hall trong thực tế được ứng dụng để chế tạo các loại cảm biến

đo góc quay, cảm biến áp lực…

1.1.2.2.Cảm biến thụ động.

Cảm biến thụ động là các loại cảm biến được chế tạo từ các vật liệu có

những thông số trở kháng nhạy với đại lượng đo Giá trị của trở kháng của cảmbiến không những phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mà còn phụ thuộc vàotính chất điện của vật liệu như: điện trở suất, từ thẩm, hằng số điện môi

Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất điện củachúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như: nhiệt độ, độ chiếu sáng, ápsuất, độ ẩm, Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở khángdưới tác dụng của đại lượng đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là mộtthành phần trong một mạch điện

Trên thực tế, tuỳ từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo chothích hợp với cảm biến

Ví dụ mạch sử dụng quang trở Cds điều khiển LED:

Hình 1.6: Sơ đồ ứng dụng Cds.

1.2.Một số vấn đề khi thiết kế và sử dụng cảm biến.

1.2.1.Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến.

Trong khi dùng cảm biến để xác định đại lượng cần đo, không chỉ có mộtđại lượng này tác động lên cảm biến Trên thực tế, ngoài đại lượng cần đo còn

có rất nhiều các đại lượng khác tác động lên cảm biến làm ảnh hưởng tới tínhiệu đo Các đại lượng này còn gọi là nhiễu

+ Nhiệt độ: Làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của cảm biến.+ Độ ẩm: Có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu.

+ Áp suất, gia tốc, độ rung : Có thể gây nên biến dạng hoặc ứng suất trong.+ Từ trường: có thể gây nên sức điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích

1.2.2.Sai số của phép đo.

Bất kỳ một phép đo nào dù đơn giản hay phức tạp đều chứa đựng một sai

số nhất định Hiệu số giữa giá trị thực và giá tị đo được là sai số của phép đo.Sai số của phép đo chỉ có thể đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biếttrước được giá trị thực của đại lượng đo

Khi đánh giá sai số người ta phân làm hai loại: Sai số hệ thống và sai sốngẫu nhiên

+ Do tính không xác định của đặc trưng thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng

1.2.3.Độ nhạy của cảm biến.

Độ nhạy của cảm biến S xung quanh một giá trị không đổi mi của đạilượng đo được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng ở đầu ra vàbiến thiên m tương ứng của đại lượng đầu vào

(1.2)

i

m m

m

s S

Trong thực tế, thông thường nhà sản xuất cung cấp sẵn giá trị của độnhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến Nhờ cógiá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra củasảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo Điều này cho phéplựa chọn được cảm biến thích hợp với các yêu cầu đặt ra.

Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến vàcác đại lượng có liên quan

Ví Dụ: / oC đối với nhiệt điện trở ; V / oC đối với cặp nhiệt điện

1.2.4.Độ nhanh- thời gian hồi đáp.

- Độ nhanh: Là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng

đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo hay không

- Thời gian hồi đáp: Là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ

nhanh

1.2.5.Giới hạn sử dụng.

Trong quá trình sử dụng cảm biến luôn phải chịu các ứng lực cơ khí hoặcnhiệt độ tác động lên chúng Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phépchúng sẽ làm thay đổi các đặc trưng làm việc của cảm biến, hoặc có thể gây nênphá huỷ cảm biến Bởi vậy trong quá trình sử dụng cảm biến người sử dụngphải lưu ý tới giới hạn làm việc của cảm biến và phải tuyệt đối tuân thủ theochúng

1.3.Giới thiệu chung về các loại cảm biến siêu âm.

1.3.1.Một số loại cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vậttrong khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trongnhững điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biếnsiêu âm cũng khác nhau

Dưới đây là hình ảnh một số loại cảm biến siêu âm trong thực tế:

Hình 1.7: Một số loại cảm biến siêu âm.

1.3.2.Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF.

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 xácđịnh 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 biếntới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm Hay khoảng cách từcảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

d= v× (1.3)

Trong đó :

d : Là khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật

v : Vận tốc của sóng siêu âm trong môi trường truyền sóng

t : Thời gian tính từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại

Hình 1.8: Nguyên lý Time Of Flight.

1.3.3.Tầm quét của cảm biến siêu âm.

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó cácđiểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thìdường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó

Hình 1.9: Tầm quét của cảm biến siêu âm.

1.3.4.Thông số kỹ thuật củatừng loại loại cảm biến siêu âm.

 Cảm biến siêu âm SRF05.

+ Hình ảnh:

Hình 1.10: Cảm biến siêu âm SRF05.

+ Thông số kỹ thuật của SRF05

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của SRF05.

2 chân tương thích SRF04 Xung va đập Mức tín hiệu TTL dương,

bề rộng đối xứng Kích thước 43mm x 20mm x 17mm

 Cảm biến siêu âm SRF10

+ Hình ảnh :

Hình 1.11: Cảm biến siêu âm SRF10.

+ Thông số kỹ thuật của SRF10

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của SRF10.

SRF10 – Cảm biến siêu âm kích thước bé

Tín hiệu tương tự Biến thiên 40- 700 trong 16 bước

Đầu nối Bus tiêu chuẩn I2C

Định thời Tín hiệu về trong toàn thời gian làm việc,

quản lí chức năng tự do

Kích thước 32mm x 15mm x 10mm

SRF235.

Hình 1.12: Cảm biến siêu âm SRF235.

+ Thông số kỹ thuật của SRF235

Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật của SRF235.

Đầu nối Bus tiêu chuẩn I2C

Định thời Tín hiệu liên tục trong thời gian làm việc, quản lí

Hình 1.13: Cảm biến siêu âm SRF08.

+ Thông số kỹ thuật của SRF08

Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật của SRF08.

SRF08 – Cảm biến siêu âm vai trò cao

1.3.5.Một số ứng dụng của cảm biến siêu âm.

1.3.5.1.Dùng trong đo chất lỏng.

Hình 1.14: Ứng dụng của cảm biến siêu âm đo chất lỏng. 1.3.5.2.Đo độ cao, hay vị trí của phiến gỗ trên dây chuyền.

Hình 1.15: Ứng dụng của cảm biến siêu âm đo khoảng cách, độ cao, vị trí.

1.3.5.3.Phát hiện chiều cao.

Hình 1.16: Ứng dụng của cảm biến siêu âm Phát hiện chiều cao. 1.3.5.4.Phát hiện xe.

Hình 1.17: Ứng dụng của cảm biến siêu âm Phát hiện xe.

1.4.Cảm biến siêu âm SRF05.

1.4.1.Khái niệm.

SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tínhlinh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí SRF05 là hoàn toàn

tương thích với SRF04 Khoảng cách được tăng từ 3cm đến 4m

Hình 1.18: Cảm biến siêu âm SRF05.

SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phảnhồi, do đó tiết kiệm giá trị trên chân điều khiển

Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kíchhoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04 SRF05 bao gồm một thời gian trễ trướckhi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điềukhiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh

1.4.2.Các chế độ của SRF05.

1.4.2.1.Chế độ 1-Tách biệt kích hoạt và phản hồi (Tương ứng với SRF04).

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 sẽlàm 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 1.19: Chế độ 1 của SRF05.

1.4.2.2.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 hồitiếp, 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 hồitiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt SRF05 sẽ khôngtăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt

Hình 1.20: Chế độ 2 của SRF05

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

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 mỗigiây Nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiệnmột 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 lầnduy nhất trong quá trình sản xuất để lập trình cho bộ nhớ Flash trên chipPIC16F630 Các chương trình của PIC16F630 pins cũng được sử dụng cho cácchức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn rằng không kết nối bất cứ cái gì vớicác 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 hàmcủa diện tích mặt của các cảm biến và là cố định Chùm tia của cảm biến được

sử dụng trênSRF05 được biểu diễn bên dưới:

Hình 1.22:Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm SRF05.

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

+ Nguyên tắc cơ bản của sonar.

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 đượclàm 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 thấphơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốthơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao

Hình 1.23: Nguyên tắc cơ bản của sonar.

+ 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 gócphản xạ của nó

Hình 1.24: Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05.

Một tín hiệu có thể cho ra tín hiệu phản hồi yếu hoặc không có phản hồi

+Vùng phát hiện của SRF05.

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

Các vùng phát hiện của SRF05 nằm trong khoảng 1m chiều rộng từ bênnày sang bên kia và không quá 4m chiều dài

Hình 1.25: Vùng phát hiện của SRF05.

CHƯƠNG II: Các Họ Vi Điều Khiển và LCD Hiển Thị

2.1.Tổng quan về họ vi điều khiển AVR

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhàsản xuất dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến) AVR làchip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(ReducedInstruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ

xử lí

so với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn,hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:

 Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sửdụng AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là cáckhối thạch anh).

 Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉcần vài điện trở là có thể làm được một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chipbằng bootloader không cần mạch nạp…

 Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C

 Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trêninternet

 Hầu hết các chip AVR có những tính năng (features) sau:

 Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nộilên đến 8 MHz (sai số 3%)

 Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượnglớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trìnhđược EEPROM

 Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional)

 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM

 Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh

 Chức năng Analog comparator

 Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)

 Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master vàSlaver

 Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)

Một số chip AVR thông dụng:

 AT90S1200

 AT90S2313

 AT90S2323 and AT90S2343

 AT90S2333 and AT90S4433

 AT90C8534

 ATtiny10, ATtiny11 and ATtiny12

- 64 thanh ghi I/O

- 160 thanh ghi vào ra mở rộng

- 32 thanh ghi đa mục đích

- Hai khối USART lập trình được

- Khối truyền nhận nối tiếp SPI

- Khối giao tiếp nối tiếp hai dây TWI

Hình 2.1 Sơ đồ khối cấu trúc vi điêu khiển AVR

2.2.2.Cấu trúc bộ nhớ và cổng vào ra

A Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ vi điều khiển AVR có cấu trúc Harvard là cấu trúc có đường Bus riêng cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ AVR được chia làm 2 phần chính: Bộ nhớ chương trình (program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Datamemory)

•Bộnhớ chươngtrình:

Bộ nhớ chương trình của AVR là bộ nhớ Flash có dung lượng 128K bytes Bộnhớ chương trình có độ rộng Bus là 16 bit.Những địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương trình được dùng trong bảng vecto ngắt Đối với Atmega 8 bộ nhớ

chương trình có thể chia làm 2 phần: phần boot loader (Boot loader program section)và phần ứng dụng (Application program section).Phần boot loader chứa

trong vi điều khiển chương trình của người sử dụng và sau đó thực

thi chương trình này Mỗi khi reset vi điều khiển CPU sẽ nhẩy tới thực thi

chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem có chương trình nào cần nạp vào vi điều khiển hay không, nếu có chương trình cần nạp, boot loader sẽ nạp chương trình vào vùng nhớ ứng dụng (Application program section), rồi thực thi chương trình này Ngược lại, boot loader sẽ chuyển tới chương trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi chương trìnhnày.Phần ứng dụng (Application program section) là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng của người dùng Kích thước của phần boot loadervà phần ứng dụng có thể tùy chọn

Hình trên thể hiện cấu trúc bộ nhớ chương trình có sử dụng boot loader và

không sử dụng boot loader, khi sử dụng phần boot loader ta thấy 4 word đầu tiênthay vì chỉ thị cho CPU chuyển tới chương trình ứng dụng của người dùng (là chương trình có nhãn Start) thì chỉ thị CPU nhẩy tới phần chương trình boot loader để thực hiện trước rồi mới quay trở lại thực hiện chương trình ứng dụng

• Bộ nhớ dữ liệu: Bộ nhớ dữ liệu của AVR được chia làm hai phần chính là bộ

nhớ SRAM và bộ nhớ EEPROM Tuy cùng là bộ nhớ dữ liệu nhưng hai bộ nhớ này lại tách biệt nhau và được đánh địa chỉ riêng

- Bộ nhớ SRAM: có dung lượng 4K bytes, bộ nhớ SRAM có hai chế độ

hoạt động là chế độ thông thường và chế độ tương thích với AT mega 8 muốn thiết lập bộ nhớ SRAM hoạt động theo chế độ nào ta sử dụng bit cầu chì

M103C

- Bộ nhớ EEPROM: Đây là bộ nhớ dữ liệu có thể ghi xóa ngay trong lúc viđiều khiển đang hoạt động và không bị mất dữ liệu khi nguồn cung cấp bị mất

EEPROM được xem như là một bộ nhớ vào ra được đánh địa chỉ độc lập với SRAM Để điều khiển vào ra dữ liệu với EEPROM ta sử dụng ba thanh ghi:

+ Thanh ghi EEAR (EEARL):

Đây là thanh ghi 16 bit lưu giữ địa chỉ các ô nhớ của EEPROM, thanh ghiEEAR được kết hợp từ 2 thanh ghi 8 bit là EEARH và thanh ghi EEARL Vì bộnhớ EEPROM của Atmega8 có dung lượng 4Kbyte = 4069 byte = 212 byte nên

ta chỉ cần 12 bit của thanh ghi EEAR, 4 bit từ 15-12 được dự trữ ta

nên ghi 0 vào các bit dự trữ này

+ Thanh ghi EEDR

+ Thanh ghi EECR

Đây là thanh ghi điều khiển EEPROM, ta chỉ sử dụng 4 bit đầu của thanh ghinày,bốn bitcuối là dự trữ, ta nên ghi 0 vào các bit dự trữ

Tómtắt bản đồ bộ nhớ bên trong atmega8.

B Cổng vào ra

Cổng vào ra là một trong số các phương tiện để vi điều khiển giao tiếp với cácthiết bị ngoại vi AT mega8 có tất cả các cổng vào ra 8 bit là: PortA, PortB,

hướng, tức có thể chọn hướng của cổng là hướng vào (input) hay hướng ra(output) Tất cả các cổng vào ra của AVR đều có chức năng Đọc – Chỉnh sửa –Ghi (Read – Modify – Write) khi sử dụng chúng như là các cổng vào ra số thôngthường.Điều này có nghĩa là khi ta thay đổi hướng một chân nào đó thì nó khônglàm ảnh hướng tới hướng của các chân khác Tất cả các chân của các Port đều cóđiện trở kéo lên (pull-up) riêng, ta có thể cho phép hay không cho phép điện trởkéo lên này hoạt động Điện trở kéo lên là một điện trở được dùng khi thiết kếcác mạch điện tử logic Nó có một đầu được nối với nguồn điện áp dương (VCC– Vdd) và đầu còn lại được nối với tín hiệu lối vào/ra của một

mạch logic chức năng

2.2.3.Cách hoạt động

Khi khảo sát các cổng như là các cổng vào ra số thông thường thì tính chấtcủa các cổng (PortA, PortB, …) là tương tự nhau, nên ta chỉ cần khảo sát mộtcổng nào đó trong số 7 cổng của vi điều khiển là đủ

Mỗi một cổng vào ra của vi điều khiển được liên kết với ba thanh ghi:PORTx,DDRx, PINx ( x thay thế cho A,B….) Ba thanh ghi này sẽ được phối hợp vớinhau để điều khiển hoạt động của cổng, chẳng hạn thiết lập cổng thành lối vào

có sử dụng điện trở kéo lên… Sau đây là nguyên lý chi tiết vai trò của ba

thanh ghi trên:

• Thanh ghi DDRx.

Đây là thanh ghi 8 bit (có thể đọc ghi) có khả năng điều khiển hướng của cổng (là lối vào hay lối ra) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứng với nó được cấu hình thành ngõ ra Ngược lại, nếu bit của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng với nó được thiết lập thành ngõ vào

Ví dụ: Khi ta set tất cả 8 bit của thanh ghi DDRA đều là 1, thì 8 chân tươngứng của PortA, là PA1, PA2, … PA7 ( tương ứng với các chân của vi điềukhiển) được thiết lập thành ngõ ra