Xây dựng rada trên board arduino và hiển thị trên LCD

Do đó là một sinh viên Khoa Điện tử-Viễn thông, cần nắm bắt được sự phát triển không ngừng của khoa học và những ý tưởng mới lạ để có thể ứng dụng vào cuộc sống hiệu quả hơn, bên cạnh đó

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài “Xây dựng Rada trên board Arduino và

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên sinh viên: Phạm Văn Dũng

Ngành đào tạo: Công Nghệ Điện Tử - Thông Tin Hệ đào tạo: ĐHCQ

1/ Tên đề tài ĐATN:

Xây dựng Rada trên board arduino và hiển thị trên LCD

2/ Nội dung chính:

1/ Tìm hiểu về board Aduino

2/ Xây dựng tổng quan lí thuyết về radar

3/ Xây dựng thiết kế mô hình sản phẩm radar của đề tài

4/ Thực hiện làm sản phẩm cho đề tài

3/ Cơ sở dữ liệu ban đầu

……… ……… ……….………

……… ……….………

……… ……….………

……… ……….………

4/ Ngày nộp: 15/05/2017

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Qua những năm tháng học tập và rèn luyện tại Viện Đại học Mở Hà Nội, nhận được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô, đặc biệt là quý thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Tử - Thông Tin, khoa mà em đã gắn bó suốt 4 năm qua, đã truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu về lý thuyết và thực tiễn trong suốt thời gian học ở trường Cùng với sự nỗ lực của bản thân và với sự tìm tòi nghiên cứu tài liệu hay là có sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác đã góp phần giúp em hoàn thành bài báo cáo thực tập tốt nghiệp này

Từ những kết quả đạt được này, em xin chân thành cám ơn: Thầy giảng viên hướng dẫn TS.Nguyễn Hoài Giang đã hướng dẫn và góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thành đề tài báo cáo thực tập này Và cùng với là các thầy cô khoa Công nghệ Điện Tử-Thông Tin, Viện Đại học Mở Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu, quan trọng và cần thiết trong suốt quá trình học tập tại trường

Do kiến thức còn thiếu xót, hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót trong cách thực hiện và trình báo cáo thực tập tốt nghiệp này Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để báo cáo thực tập tốt nghiệp này đạt được kết quả tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Radar” là cụm từ không còn xa lạ đối với nền công nghệ phát triển như hiện

nay Việc xây dựng và phát triển radar đang ngày một cần thiết hơn để đới phó với nhiều vấn đề, thách thức Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, công nghệ điện tử trong đó đặc biệt là kĩ thuật thăm dò, phát hiện, cảnh bảo đóng vai trò quan trọng và thiết thực không chỉ trong các ngành quan trọng như quốc phòng, giao thông, dầu khí mà còn trong cả cuộc sống hàng ngày của mỗi gia đình, xã hội, nhằm đáp ưng nhu cầu ngày càng cao về độ an toàn, bảo mật

Do đó là một sinh viên Điện tử-Thông Tin, cần nắm bắt được sự phát triển không ngừng của khoa học và những ý tưởng mới lạ để có thể ứng dụng vào cuộc sống hiệu quả hơn, bên cạnh đó sâu xa hơn là thúc đẩy sự phát triển của nước nhà Đi cùng với xu thế phát triển đó, em đã chọn đề tài “Xây dựng hệ thống radar trên board Arduino và hiển thị trên màn hình lcd” để làm đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, tháng 05 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Dũng

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Điểm: (Bằng chữ: ………)

Ngày….tháng….năm 2017

Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Điểm: (Bằng chữ: ………)

Ngày….tháng….năm 2017

Giảng viên phản biện

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ BOARD ARDUINO 5

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của arduino 5

1.1.1 Dòng Arduino USB 6

1.1.2 Arduino MEGA 8

1.2 Khái niệm về Arduino 9

1.3 Cấu tạo 9

1.4 Ứng dụng của Arduino 13

1.4.1 Ứng dụng của arduino 13

1.4.2 Một số loại Arduino thông dụng 13

1.4.3 Arduino UNO 16

1.5 Kết luận chương……….……17

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ RADAR VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM 20

2.1 Radar 20

2.1.1 Lịch sử ra đời, khái niệm chung, phân loại và ứng dụng của radar 20

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của radar 29

2.1.3 Sự phản xạ của sóng siêu âm 33

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến radar 36

2.2 Cảm biến siêu âm 39

2.2.1 Khái niệm siêu âm, cảm biến siêu âm 39

2.2.2 Một số loại cảm biến siêu âm và cấu tạo của cảm biến siêu âm 39

2.2.3 Nguyên lí hoạt động 41

2.2.4 Ứng dụng của cảm biến siêu âm 45

2.3.Kết luận chương……… 46

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH RADAR TRÊN BOARD ARDUINO VÀ HIỂN THỊ TRÊN LCD 3.1.Thiết kế phần cứng 47

3.1.1 Phương án thiết kế 48

3.1.2 Sơ đồ khối phần cứng 50

3.2 Sơ đồ lắp ráp và nguyên lí hoạt động 53

3.3 Sử dụng phần mềm thiết kế mạch in……… … 55

KẾT LUẬN CHUNG 1 Kết quả đạt được……… 58

2 Những mặt hạn chế……… 60

3 Hướng Phát triển……… 61

Phụ Lục: Code điều khiển 62

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH

Hình 1.11 Các loại Arduino 9

Hình 1.9 phần mềm lập trình arduino 12

Hình 1.10 Arduino UNO 14

Hình 1.11 Arduino Nano 14

Hình 1.12 Arduino MEGA 16

Hình 1.13 Cấu tạo Arduino UNO 17

Hình 2.3 Một số loại cảm biến 40

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý cảm biến 40

Hình 2.5 Mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biến 42

Hình 2.6 Chế độ làm việc của cảm biến siêu âm 42

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí các bộ phận trên Arduino UNO 48

Bảng 3.1 Thông tin một số cảm biến siêu âm 49

Hình 3.2 Cảm biến siêu âm SRF05 50

Hình 3.3 Sơ đồ các chân của cảm biến 51

Hình 3.4 Màn hình LCD homephone 52

Hình 3.5 động cơ servo và còi chip 53

Hình 3.6 Sơ đồ lắp ráp 54

Hình 3.7 mạch in 56

Hình 3.9 Mạch ngyên lý 57

Hình 1 sản phẩn của đồ án 59

Hình 2 Hiển thị vật quét trên LCD 60

CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

AVR Auto voltage regulator Tự động điều chỉnh điện áp Radar Radio Dectection And Ranging Phát hiện và phân định vô

tuyến SRAM Static random access memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

tĩnh OPAM operational amplifier Hoạt động khuếch đại

PRF Pulse Repetition Frequency Tần số lặp lại

IDE Integrated Development

Environment

Môi trường phát triển tích hợp

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, công nghệ điện tử trong đó đặc biệt là kĩ thuật thăm dò, phát hiện, cảnh bảo đóng vai trò quan trọng và thiết thực không chỉ trong các ngành quan trọng như quốc phòng, giao thông, dầu khí mà còn trong cả cuộc sống hàng ngày của mỗi gia đình, xã hội, nhằm đáp ưng nhu cầu ngày càng cao về độ an toàn, bảo mật Do

đó là một sinh viên Khoa Điện tử-Viễn thông, cần nắm bắt được sự phát triển không ngừng của khoa học và những ý tưởng mới lạ để có thể ứng dụng vào cuộc sống hiệu quả hơn, bên cạnh đó sâu xa hơn là thúc đẩy sự phát triển của nước nhà

Như chúng ta đã biết việc thăm dò, cảnh báo và phát hiện sớm những mối nguy hại, vật thế nguy hiểm hay những tài nguyên cần tím kiếm là việc vô cùng cần thiết và quan trọng trong những ngành trọng yếu của quốc gia, không chỉ vậy nó còn rất cần thiết cho cuộc sống hiện nay Để cụ thể hóa những nhu cầu đó, các hệ thống radar có thể được xây dựng phù hợp cho từng nhu cầu Chính vì vậy với nhu cầu xậy dựng các hệ thống radar nhỏ gọn, tiện dụng là ý tưởng chính của đề tài nhằm phục vụ vào các ngành, các công việc đơn giản và quy mô nhỏ hơn nhưng lại có nhu cầu rất lớn

Radar (Radio Dectection And Ranging) là khái niệm dung để phát hiện

và xác định vị trí của các đối tượng

Radar là một cảm biến, mục đích của nó là để cung cấp các ước tính của một số đặc điểm của môi trường xung quanh của nó quan tâm đến một người sử dụng, thường nhất là sự hiện diện, vị trí, và chuyển động của các đối tượng như máy bay, tàu, hoặc các phương tiện giao thông khác trong vùng phụ cận Trong sử dụng khác, hệ thống radar cung cấp thông tin về bề mặt của Trái Đất (hoặc của các cơ quan thiên văn khác) hoặc về điều kiện khí tượng Để cung cấp cho người sử dụng với đầy đủ các khả năng cảm biến, hệ thống radar thường

được sử dụng trong các kết hợp với các yếu tố khác của hệ thống hoàn chỉnh hơn

Radar cũng được sử dụng để đo khoảng cách và các khu vực bản đồ địa lý (shoran) và điều hướng và sửa chữa các vị trí trên biển Các nhà khí tượng sử dụng radar để theo dõi lượng mưa, nó đã trở thành công cụ chính cho dự báo thời tiết ngắn hạn và cũng được sử dụng để xem thời tiết khắc nghiệt như cơn bão và lốc xoáy Radar có thể được sử dụng để nghiên cứu các hành tinh và mặt trời tầng điện ly và theo dõi được hình ảnh ngọn lửa của mặt trời và các hạt chuyển động trong không gian bên ngoài

Bên cạnh những ứng dụng vô cùng to lớn của radar trong những ngành quan trọng thiết yếu thì hiện nay radar cũng đã có mặt và là một thứ không thể thiếu trong cuộc sống xã hội

2 Mục đích nghiên cứu

Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống radar trên board Arduino để phát hiện và hiển thị vật thể lên màn hình lcd

Hệ thống radar trên board Arduino có các chức năng:

- Có thể điều chỉnh tăng giảm khoảng cách để phát hiện vật thể

- Cảm biến được gắn trên một trục quay có thế thực hiện chức năng dò sét theo nhiều nhiều hướng, nhiều góc độ

- Có còi báo hoặc đèn led để thông báo khi có tín hiệu trả về phát hiện vật thể

- Có thể vẽ hiển thị hình dạng vật thể, góc độ, khoảng cách vị trí của vật thể lên màn hình Lcd

Mục đích của sản phẩm

- Dò tìm, thông báo và xác định khoảng cách các vật thể đang tiến gần đến nơi đặt rada

- Ứng dụng Rada khi lắp đặt vào oto:

- Cảnh báo cho oto khi đang di chuyển hoặc đang di chuyển những

nơi bị khuất tầm nhìn có vật cảm đang hay chiếc oto khác tới gần phát hiện, xác định khoảng cách, cảnh báo tốc độ của chiếc oto đó

để tránh được nguy hiểm khi tham gia giao thông

- Cảnh báo khi đỗ xe và lùi xe khi bị khuất tầm nhìn phí sau xe

Khi chúng ta muốn lùi xe hay đỗ xe vào vị trí radar có thể cảnh báo có vật hoặc có trẻ nhỏ đang đứng phía sau xe nơi khuất tầm nhìn bằng những tiếng kêu bip bip khi có vật cản phía sau xe để chúng ta có thể tránh hoặc dừng lại để đi dời đồ vật và tiếp tục lùi xe hay đỗ xe vào vị trí mong muốn

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ BOARD ARDUINO 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của arduino

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người

tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay

cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến

Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác? Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có

20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin

Nó chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ cho sinh viên học tập của giáo sư Massimo Banzi, một trong những người phát triển Arduino tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Dù hầu như không có một sự tiếp thị hay quảng cáo nào nhưng tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ vô vàn lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên Chúng ta sẽ tìm hiểu về lịch sử sáng tạo của mạch tự động Arduino qua các phiên bản mạch:

1.1.1 Dòng Arduino USB

- Mạch lập trình đầu tiên (2005): Khi những mạch lập trình đầu tiên được xây dựng, Arduino vẫn chịu sự ảnh hưởng của các mạch lập trình AVR lúc bấy giờ, đó là sử dụng cổng RS-232 (cổng máy in của các dòng máy tính cũ) Điều

đó cũng đúng với lịch sử lúc bấy giờ, các dòng máy tính để bàn được sản xuất vẫn còn cổng RS-232 này Vì sử dụng cổng RS-232 này nên việc xây dựng một môi trường giao tiếp giữa máy tính và mạch Arduino vô cùng đơn giản

Qua đó, sự đơn giản về hình thức, cách thức lập trình tương tự như những mạch AVR khác đã làm nên sự thích thú trong thời kỳ này, khiến tên tuổi của mạch lập trình này trở nên rất nóng trong giới điện tử bạn thấy đấy, Arduino ra đời và làm cho những thứ khó nhằn như lập trinhd vi điều khiển trở nên rễ ràng và thân thiện với người lập trình hơn

- Arduino USB (2005): Ở board mạch Arduino USB này, chúng ta thấy có

sự xuất hiện của cổng USB Type B, như vậy nguồn điện nuôi Arduino không phải lúc nào cũng 12V, vì khi gắn cổng USB Type B ta lại có thể 5V, như vậy nếu đi qua con LM7805 thì sẽ không đủ điện nuôi cho con ATmega328 Điều đó khiến những nhà phát triển phần cứng Arduino phải thích nghi với việc thay đổi Header ext or usb mỗi khi thay đổi từ lúc nạp chương trình sang dùng nguồn ngoài

Như vậy, mạch Arduino USB vẫn không có nhiều sự thay đổi so với mạch Arduino Serial, ta có thể xem nó như là một phiên bản Arduino không sử dụng cổng RS-232 mà dùng cổng USB Tiện cho người lập trình rất nhiều trong thời kỳ này

- Arduino Extreme (2006): Ở phiên bản này, chúng ta đã có thêm đèn RX,

TX ở 2 chân TX của Arduino Các linh kiện trên Arduino phần lớn được thay thế bằng linh kiện dán và đều có nghĩa là Arduino cần phải được bán với đầy đủ các linh kiện đã được hàn đầy đủ Ngoài ra, các chân header male đã được thay thế với chân header female

Với việc thay đổi male header bằng female header đã giúp cho việc gắn dây nối giữa Arduino và breadboard trở nên dễ dàng hơn, bạn có thể sử dụng dây breadboard được hoặc dung một sợi dây đồng lõi cứng nói giữa arduino và breadboard

- Arduino NG (Nuova Generazione) (2006): Trong mạch Arduino NG, sự sáng tạo đáng kể đó là sự thay thế con chip FT232MB bằng con FTDI FT232RL USB-to-Serial, điều đó làm cho thiết kế dao diện phần cứng của Arduino trông thật sự rất tuyệt vời Ngoài ra với việc đặt một đèn Led tại chân số 13, không những giúp ta debug được truyền dữ liệu SPI mà còn có một công cụ kiểm thử mạch Ta chỉ cần gắn điện vào cổng USB hoặc nguồn ngoài là có thể kiếm thử được mạch NG Vì các dự án càng ngày càng to, người đam mê DIY với Arduino ngày càng nhiều, và để thích nghi với điều kiện đó, ATmega168 đã thay thế cho ATmega8

- Arduino Diecimila (Diecimila = 1 vạn) (2007): Điều thay đổi chính trong phiên bản này đó là việc đưa vào chức năng “tự động reset” bằng máy tính khi upload chương trình, nghĩa là lúc bấy giờ chúng ra đã có thể lập trình Arduino như thời điểm hiện tại Như vậy, đã có sự thích nghi vì lắng nghe ý kiến người dung Vì có nhiều phản hồi cho rằng gắn chồng board lên mạch Arduino, và không có cách nào ấn nút reset ở những board Arduino cũ, như vậy việc cải tiến nút reset cũng đã khiến những nhà lập trình thiết kế lại các chân nguồn và chân digital pin, cung cấp cho họ nhiều khả năng tùy biến hơn

- Arduino Duemilanove (Duemilanove = 2009) (2008 - 2009): Trong phiên bản này, mạch Arduino đã có khả năng tự đọng nhận biết mỗi khi sử dụng nguồn từ cổng USB hay ngồn ngoài Ngoài ra, trong phiên bản này còn bổ sung một đường chì nhỏ được nối tắt nhằm giúp bạn có thể hủy chức năng auto-reset

- Arduino UNO (UNO = 1) 2010 - đến nay: chia ra 2 loại là Arduino ethernet và Arduino Leonardo

- Ngoài ra còn rất nhiều dòng Arduino khác

1.1.2 Arduino MEGA

- Những board Arduino Mega đầu tiên (2009 - 2010): Ở phiên bản Arduino MEGA, chúng ta thấy được sự thay đổi trong việc suy nghĩ về thiết kế mạch Arduino Cụ thể, để có thể thêm được nhiều vùng lớn hơn, thêm được nhiều chân IO hơn, những nhà phát triển đã mạnh dạng thay đổi con vi điều khiển ATmeda1280 Nhưng như vậy, sẽ làm cho việc thiết kế giao diện mạch Arduino MEGA trở nên khó khăn, vì có quá nhiều chân Với khó khăn như vậy họ đã thích nghi bằng cách thiết kế Arduino MEGA tương tự mạch Arduino UNO nối dài

- Arduino MEGA ADK (Android compatible) (2011): Đây là phiên bản Arduino MEGA giúp bạn có thể giao tiếp với các thiết bị android thông qua cổng sạc (USB micro) của các tiết bị Android Ở phiên bản này Arduino MEGA, với sự đồ sộ về cơ số lượng chân IO Người ta muốn nó làm được nhiều hơn việc làm ra một cái máy đơn thuần, họ muốn một thứ gì đó ngầu hơn, ví dụ như điều khiển điện thoại android hoặc dung Andriod điều khiển trực tiếp Mạch Arduino

- Arduino DUE (2012): Sự sáng tạo ở đây, khác biệt với những sản phẩm trước đó của Arduino ở chỗ, họ đã đưa Arduino lên một tầm cao mới trong tầng phần cứng – tầng 32bot, đây cũng là một bước đệm để Arduino khảo sát thị trường và tung ra Arduino Yun trong năm 2013 Arduino Yun thực sự là một

“super mini computer” vì nó cực kì nhỏ chạy hệ điều hành linux và nó có sẵn wifi

Như vậy, Arduino đã phát triển lên từ một mạch đơn giản và có phần hơi xấu và trở thành một mạch điện tử hướng đến sự tinh tế, tinh vi và không kém phần quyến rũ Mọi thứ cứ phát triển từ từ, từ từ, nhưng không có sự dậm chân

và Arduino cũng vậy Một số loại Arduino thông dụng hiện nay:

Hình 1.1 Các loại Arduino 1.2 Khái niệm về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Chúng ta có thể định nghĩa đơn giản Arduino là một nền tảng mà mọi thiết

bị phần cứng đều được làm sẵn và chuẩn hóa, người dùng chỉ việc chọn những thứ mình cần, ráp lại là có thể chạy được

1.3 Cấu tạo

- Phần cứng:

Có nhiều loại Arduino khác nhau tùy thuộc vào cấu tạo và chức năng của chúng nên ta khó có thể tìm hiểu hết được cấu tạo của tất cả nên ta có thể nêu ra cấu tạo chung của Arduino như sau:

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao

tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động

16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduino không chính thức,

sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi sử dụng một công cụ lập trình vi

điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)

Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra

14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino

có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard

Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Một vài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau

- Phần mềm:

Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật Và quan trọng

là số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẻ bởi cộng đồng nguồn mở là cực kỳ lớn

Hình 1.2 phần mềm lập trình arduino

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) Arduino là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java, và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp Nó được thiết kế để làm nhập môn lập trình cho các nhà lập trình và những người mới sử dụng khác không quen thuộc với phát triển phần mềm Nó bao gồm một trình soạn thảo mã với các tính năng như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngặc khối chương trình, và thụt đầu dòng tự động, và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương trình vào bo mạch với một nhấp chuột duy nhất Một chương trình hoặc mã viết cho Arduino được gọi là "sketch"

1.4 Ứng dụng của Arduino

1.4.1.Ứng dụng của arduino

Có thể nói Arduino đã mở ra một thế giới công nghệ mới với vô vàn các ứng dụng quan trọng của nó nhưng lại cực kì nhỏ gọn, dễ hiểu và tinh tế Ứng dụng của arduino :

Arduino Uno là nền tảng tương tác và lập trình bằng vi điều khiển thông dụng mà bạn có thể dễ dàng lập trình để phản ứng với những tác động diễn ra trong thế giới thực Bạn cũng có thể lên hệ giữa thế giới thực và thế giới ảo bằng cách kết nối với Internet, gửi và nhận dữ liệu từ Internet

-Bạn có thể dùng nó để nhận biết hầu hết những thứ mà bạn có cảm biến điện tử như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất, âm thanh thậm chí cả mùi Cách Arduino phản ứng phụ thuộc vào cách mà chúng ta lập trình

-Arduino là cách thật sự đơn giản để học cách lập trình vi điều khiển

-Các công ty thiết kế dùng nó để phát triển các sản phẩm có khả năng tương tác

-Arduino còn được sử dụng để điều khiển những cuộc họp và triển lãm, các chương trình thương mại trong lĩnh vực truyền thông

-Nó cũng được sử dụng nhiều trong công nghiệp vì rất linh hoạt, dễ thay thế, có rất nhiều nhà cung cấp, khả năng giao tiếp với máy tính tốt, lại có chi phí thấp

Nó được sử dụng như công cụ tư vấn – quản lí để giúp các đội ngũ giải quyết vấn đề một cách có tổ chức và phát triển sự hợp tác trong công việc

Ngoài ra còn vô số ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày

1.4.2 Một số loại Arduino thông dụng

-Arduino UNO

Hình 1.310 Arduino UNO

Aduino UNO so với các đời trước ngoài việc thay đổi và cách đặt tên cho dễ xác định các chân IO, Arduino UNO còn thay con chip FTDI bằng con chip ATMega8U2 (Serial TTL Converter) Chúng ta thấy rằng nó trông đẹp hơn hẳn nhưng vẫn giữ được pinout cũ của mạch trước đó Diều đó làm cho những mạch con em, họ hàng phụ trợ cho dòng Arduino USB không bị lỗi thời và khiến Arduino dễ hòa nhập với những anh chị em của nó hơn Arduino UNO có 3 phiên bản mới, đó là: R2, R3 và SMD

-Arduino nano :

Hình 1.4 Arduino Nano

Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno với cùng MCU ATmega328P, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình có trên Arduino Uno đều có trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano

là vì sử dụng IC dán của ATmega328P nên sẽ có thêm 2 chân Analog so với phiên bản IC chân cắm Arduino Uno

Thông số kĩ thuật chi tiết:

+ Vi xử lý ATmega328 (phiên bản v3.0)

+ Điện áp hoạt động: 5 V

+ Điện áp đầu vào (khuyến nghị): 7-12 V

+ Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20 V

+ Chân vào/ra số: 14 (6 chân có khả năng xuất ra tín hiệu PWM) + Chân vào tương tự: 8

+ Dòng điện mỗi chân vào/ra: 40 mA

+ Bộ nhớ: 16 KB (ATmega168), 32 KB (ATmega328) trong đó 2 KB dùng để nạp bootloader

+ SRAM: 1 KB (ATmega168) hoặc 2 KB (ATmega328)

+ EEPROM: 512 bytes (ATmega168) hoặc 1 KB (ATmega328)

+54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)

+6 đầu vào analog,

+4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng),

Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB Ngoài

ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên các bạn vẫn có thể lập trình cho con

vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3

Hình 1.5 Arduino MEGA

Arduino MEGA có rất nhiều chân IO so với dòng Arduino UNO (54 digital IO

và 16 analog IO), đồng thời bộ nhớ flash của MEGA rất lớn, gấp 4 lần so với UNO (128kb) với vi điều khiển ATmega 1280 Rõ rang, những dự án cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý nhiều luồng dữ liệu song song (3 timer), nhiều ngắt hơn (6 cổng interrupt), có thể được phát triển dễ dàng với Arduino MEGA, chẳng hạn như: máy in 3D, quadcopter…

Thông dụng nhất là Arduino UNO, chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu kĩ chúng

1.4.3 Arduino UNO

Arduino Uno là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega328 Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:

Hình 1.6 Cấu tạo Arduino UNO

- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển

và máy tính

- Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V

- Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328

- Các thông số chi tiết của Arduino Uno:

Vi xử lý: Atmega328

Điện áp hoạt động: 5V

Điện áp đầu vào: 7-12V

Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V

Chân vào/ra (I/O) số: 14 ( 6 chân có thể cho đầu ra PWM)

Chân vào tương tự: 6

Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

Nếu nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn sẽ làm hỏng Arduino

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt đọng của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này Nó có thể luôn là 5V Chú ý vậy bạn không được lấy nguồn 5V

từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: Khi nhấn nút reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân reset được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

 Ứng dụng: Arduino UNO được sử dụng rộng rãi do nó dễ sử dụng, cấu tạo đơn giản, giá thành tương đối và có nhiều ứng dụng…

 Với đồ án này board Arduino là một lựa chọn hợp lý vì nó rất dễ sử dụng, không phức tạp so với các cái khác, bởi vì nó rất thông dụng nên không khó tìm hiểu các thông tin cũng như những các ứng dụng liên quan tới nó Arduino cũng rất nhỏ gọn, tiện dụng rất phù hợp ứng dụng nó trong các

dự án yêu cầu kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính qua cổng USB Một trong những điểm thuận lợi lớn nhất của Arduino là rất dễ dàng bắt đầu mà k cần tốn nhiều tiền,thêm một điểm đặc biệt nữa được khá nhiều bạn sinh viên thích là Arduino có thể sử dụng lại và lập trình lại

Kết Luận Chương :

Như vậy, Arduino đã phát triển lên từ một mạch đơn giản và có phần hơi xấu và trở thành một mạch điện tử hướng đến sự tinh tế, tinh vi và không kém phần quyến rũ Mọi thứ cứ phát triển từ từ, từ từ, nhưng không có sự dậm chân Trong chu kì 1 năm, Arduino luôn ra mắt ít nhất một sản phẩm mới để làn sóng Arduino không bao giờ bị lãng quên

Vì vậy, nếu muốn sáng tạo, hãy sử dụng quy tắc SCAMPER như Arduino dùng

để giúp cho ý tưởng của bạn được bay xa Phương pháp luận khoa học cũng chính là phương pháp luận dựa trên những luật sáng tạo cơ bản như SCAMPER hay TRIAL Vì vậy, đã sáng tạo thì bạn nên ứng dụng những quy tắc trên, đảm bảo mọi thứ luôn mới và những thứ bạn tìm hiểu sẽ được gọi là nghiên cứu nếu bạn nghĩ ra được một điểm mới trong những thứ mình tìm hiểu

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ RADAR VÀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM 2.1 Radar

2.1.1 Lịch sử ra đời, khái niệm chung, phân loại và ứng dụng của radar 2.1.1.1 Lịch sử ra đời của radar

Những thử nghiệm phát hiện vật thể với sóng radio đầu tiên được thực hiện vào năm 1904 bởi nhà phát minh người Đức Christian Hülsmeyer Ông đã chứng minh khả năng phát hiện một con tàu trong điều kiện sương mù dày đặc nhưng không thể xác định khoảng cách so với máy phát

Ông được cấp bằng sáng chế cho phát minh này vào tháng 4/1904 và sáng chế sau đó đã được Hülsmeyer cải tiến với khả năng ước lượng khoảng cách đến con tàu Năm 1917, nhà phát minh Nikola Tesla đã đưa ra ý tưởng về những thiết bị giống radar

Theo đó: "bằng việc sử dụng sóng điện từ, có thể tạo ra một hiệu ứng điện trong mọi khu vực riêng biệt trên địa cầu và có thể xác định vị trí lân cận hoặc hướng chuyển động, tốc độ chuyển động của vật thể chẳng hạn như tàu thuyền ngoài biển…"

Trong suốt những năm 1920 đến 1930, Mỹ, Đức, Pháp, Liên Xô và đặc biệt

là Anh đã tập trung nghiên cứu về radar và công nghệ này được xem là một bí mật quân sự Tuy nhiên, mặc dù đã bỏ ra rất nhiều thời gian nghiên cứu nhưng những hệ thống radar tốt nhất lúc bấy giờ chỉ có thể cung cấp thông tin về phương hướng của những vật thể lớn xuất hiện trong một khoảng cách gần Những thông số về khoảng cách và độ cao so với mặt biển vẫn chưa thể tính toán được.Robert Watson Watt - một nhà cố vấn khoa học trong lĩnh vực truyền thông đã được mời đến Ban chiến tranh của Anh (BWC) để đánh giá về một chùm tia chết (death ray - trên lý thuyết là một chùm hạt hay một loại vũ khí điện từ) Tại đây ông đã phát minh ra một thiết bị radar hoàn chỉnh, sử dụng trong quân sự và ngày 26/2/1935, phát minh này của ông được cấp bằng sáng chế

Ngay sau khi ra đời, radar đã phát huy tác dụng chiến lược của nó trong trận không chiến tại Anh diễn ra năm 1940 Mặc dù chỉ có cự ly hoạt động trong

10 dặm (16 km) nhưng hệ thống đã có độ phân giải đủ lớn để có thể phát hiện một máy bay ném bom hay tiêm kích đang đến gần

Quan trọng hơn, hệ thống đã được sử dụng để chỉ dẫn cho các máy bay tiêm kích của Anh chống lại không quân Đức ngay từ mặt đất trong khi máy bay Đức phải "đi săn" mục tiêu trên không

Bước đột phá thật sự chỉ xuất hiện khi một hệ thống radar nhận dạng hiện đại được tạo ra nhờ phát minh của sóng cực ngắn (vi ba) sử dụng trong nhà hay chính xác là từ thiết bị tạo ra sóng vi ba - magnetron Magnetron được phát minh bởi John Randall và Harry Boot vào năm 1940 tại đại học Birmingham, tuy vậy,

cự ly của radar vẫn chưa lớn, chỉ hơn 80 km

2.1.1.2 Khái niệm chung

Sóng radar còn gọi là vi sóng (microware) là một dải sóng của quang phổ điện từ, có bước sóng trong khoảng từ 1mm đến 1m

Radar (Radio Dectection And Ranging) là khái niệm dung để phát hiện và xác định vị trí của các đối tượng Phương pháp áp dụng là phát ra những xung năng lượng vi song theo một hướng quan tâm rồi ghi lại cường độ của những xung phản hồi lại (hay vọng lại) từ các đối tượng, theo hệ thống trường nhìn của thiết bị Hệ thống radar có thể tạo hình ảnh hoặc không tạo hình ảnh mà bằng các giá trị số đo

Hình 2.1 Radar

Radar là một cảm biến, mục đích của nó là để cung cấp các ước tính của một số đặc điểm của môi trường xung quanh của nó quan tâm đến một người sử dụng, thường nhất là sự hiện diện, vị trí, và chuyển động của các đối tượng như máy bay, tàu, hoặc các phương tiện giao thông khác trong vùng phụ cận Trong

sử dụng khác, hệ thống radar cung cấp thông tin về bề mặt của Trái Đất (hoặc của các cơ quan thiên văn khác) hoặc về điều kiện khí tượng Để cung cấp cho người sử dụng với đầy đủ các khả năng cảm biến, hệ thống radar thường được

sử dụng trong các kết hợp với các yếu tố khác của hệ thống hoàn chỉnh hơn Radar hoạt động bằng cách truyền năng lượng điện từ vào môi trường xung quanh và phát hiện năng lượng phản xạ bởi các đối tượng Nếu một chùm tia năng lượng này được truyền qua ăng-ten chỉ thị, hướng mà từ đó phản ánh đến

và do đó mang của đối tượng có thể được ước tính Khoảng cách đến đối tượng phản ánh được ước tính bằng cách đo khoảng thời gian giữa việc truyền tải các xung radar và nhận echo Trong hầu hết các ứng dụng radar thời gian này sẽ được rất ngắn kể từ khi năng lượng điện từ truyền đi với vận tốc của ánh sáng

Bằng cách phân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và đôi khi được xác định hình dạng Chỉ với một lượng nhỏ sóng phản xạ, tín hiệu radio có thể

dễ dàng thu nhận và khuyếch đại Sóng radio có thể dễ dàng tạo ra với cường độ thích hợp, có thể phát hiện một lượng sóng cực nhỏ và sau đó khuyếch đại vài

lần Vì thế radar thích hợp để định vị vật ở khoảng cách xa mà các sự phản xạ khác như của âm thanh hay của ánh sáng là quá yếu không đủ để định vị

Tuy nhiên, sóng radio không truyền xa được trong môi trường nước, do đó, dưới mặt biển, người ta không dùng được radar để định vị mà thay vào đó là

máy sonar dùng siêu âm Một chất rắn trong không khí hay chân không, hoặc một sự thay đổi nhất định trong mật độ nguyên tử của vật thể với môi trường ngoài, sẽ phản xạ sóng radar Điều đó đặc biệt đúng với các vật liệu dẫn điện như kim loại hay sợi cacbon, làm cho radar đặc biệt thích hợp để định vị các máy bay hay tàu thuyền Sóng radar tán xạ theo nhiều cách phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích thước của vật thể tán xạ với bước sóng của sóng radio và hình dạng của vật

Nếu bước sóng ngắn hơn nhiều so với kích thước vật, tia sóng sẽ dội lại tương tự như tia sáng phản chiếu trên gương Nếu như bước sóng lớn hơn so với kích thước vật, vật thể sẽ bị phân cực, giống như một ăngten phân cực Bước sóng radar càng ngắn thì độ phân giải hình ảnh trên màn radar càng rõ Tuy nhiên các sóng radar ngắn cần nguồn năng lượng cao và định hướng, ngoài ra chúng dễ bị hấp thụ bởi vật thể nhỏ, không dễ dàng đi xa như sóng có bước sóng dài Các radar thế hệ đầu tiên dùng sóng có bước sóng lớn hơn mục tiêu và nhận được tia phản hồi có độ phân giải thấp đến mức không nhận diện được, trái lại các hệ thống hiện đại sử dụng sóng ngắn hơn (vài cm hay ngắn hơn) có thể họa lại hình ảnh một vật nhỏ như bát cơm hay nhỏ hơn nũa Sóng radio phản chiếu từ bề mặt cong hay có góc cạnh, tương tự như tia sáng phản chiếu từ gương cầu

Ví dụ, đối với tia sóng radio ngắn, hai bề mặt tạo nhau một góc 90° sẽ có khả năng phản chiếu mạnh Cấu trúc bao gồm 3 mặt phẳng gặp nhau tại 1 góc, như

là góc của hình hộp vuông, luôn phản chiếu tia tới trực tiếp trở lại nguồn Thiết

kế này áp dụng cho vật phản chiếu góc dùng làm vật phản chiếu với mục đích làm các vật khó tìm trở nên dễ dàng định dạng, thường tìm thấy trên tàu để tăng

sự dò tìm trong tình huống cứu nạn và giảm va chạm Cùng một lý do đó, để tránh việc bị phát hiện, người ta có thể làm cho các bề mặt có độ cong thích hợp

để giảm các góc trong và tránh bề mặt và góc vuông góc với hướng định vị Các thiết kế kiểu này thường dẫn đến hình dạng kỳ lạ của các máy bay tàng hình

Để giảm hơn nữa tín hiệu phản xạ, các máy bay tàng hình có thể tung ra thêm các mảnh kim loại dẫn điện có chiều dài bằng nửa bước sóng, gọi là các miếng nhiễu xạ, có tính phản xạ cao nhưng không trực tiếp phản hồi năng lượng trở lại nguồn Radar sử dụng sóng radio được phân cực ngang, phân cực dọc, và phân cực tròn tùy theo từng ứng dụng cụ thể để định vị tốt hơn các loại phản xạ

2.1.1.3 Phân loại radar

Các hệ thống Radar nói chung sử dụng các dạng sóng điều chế và anten định hướng để phát năng lượng điện từ vào một thể tích nhất định trong không gian nhằm phát hiện mục tiêu Các vật thể (mục tiêu) nằm trong không gian tìm kiếm

sẽ phản xạ lại một phần năng lượng (tín hiệu phản xạ) trở lại đài radar Các tín hiệu phản xạ này sẽ được máy thu của đài radar xử lý để tách các thông tin về mục tiêu như cự ly, vận tốc, góc phương vị, và một số đặc tính khác Radar có thể được phân loại theo vị trí đặt hệ thống radar như mặt đất, máy bay, không gian hay tàu thủy Ngoài ra, hệ thống radar cũng có thể phân ra thành nhiều loại khác nhau dựa vào các đặc tính của radar như băng tần số, loại anten và dạng sóng phát Ta cũng có thể phân loại radar theo chức năng nhiệm vụ của đài radar như radar khí tượng, radar cảnh giới, radar dẫn đường… Radar dùng hệ thống bức xạ (Phased array radar) là loại radar sử dụng dãy anten đa chức năng Dãy anten được hình thành từ hai hay nhiều anten tổng hợp nên một búp sóng hẹp có định hướng và có thể quét vòng được bằng cơ khí hay bằng điện Việc quét vòng bằng điện tử được điều khiển bởi pha của các tín hiệu đưa vào các phần tử của dãy anten Thông thường radar được phân loại theo dạng sóng hay theo tần số hoạt động Theo dạng sóng, radar có thể được phân thành hai loại là phát sóng liên tục (CW) và phát xạ xung Radar phát sóng liên tục là loại radar phát năng lượng điện từ liên tục và sử dụng hai anten phát và thu riêng biệt Radar phát xạ xung liên tục không điều chế có thể đo được chính xác vận tốc xuyên tâm của mục tiêu (độ dịch Doppler) và góc phân vị Thông tin về cự ly

của mục tiêu chỉ có thể biết được khi sử dụng điều chế Ứng dụng cơ bản của dạng radar này là xác định vận tốc mục tiêu trong radar cảnh giới và dẫn đường Radar xung sử dụng chuỗi các xung (chủ yếu được điều chế)

Trong kiểu radar này hệ thống được phân loại dựa theo tần số lặp lại xung (PRF – Pulse Repetition Frequency) với các dạng là PRF thấp, PRF trung bình, PRF cao Các radar PRF thấp được sử dụng để đo cự ly khi không cần quan tâm đến vận tốc của mục tiêu (độ dịch Doppler) Radar PRF cao chủ yếu được sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu Radar phát sóng liên tục cũng như radar phát

xạ xung đều có thể đo được cả cự ly và vận tốc xuyên tâm của mục tiêu, bằng cách sử dụng các sơ đồ điều chế

Bảng 2.1 Phân loại radar dựa trên tần số hoạt động

Ví dụ như hệ thống radar cảnh báo tên lửa sớm Ballistic (BMEWS) hoạt động ở tần số 245 MHz, hệ thống PAR (Perimeter and Acquisition Radar) Phase array radar hoạt động cự ly xa đa chức năng, và hệ thống Phase array radar UHF cảnh báo sớm đa chức năng PAVE PAWS Do các hệ thống anten này có bước sóng rất lớn và độ nhạy đòi hỏi để đo ở cự ly xa, nên chúng có diện tích rất lớn Radar trong băng L thường được sử dụng trong các hệ thống mặt đất và trên tàu cho mục đích quân sự và điều khiển không lưu cự ly xa Phần lớn các hệ thống radar cự ly trung bình mặt đất và trên tàu hoạt động ở băng S Tuy nhiên hầu hết các radar khí tượng hoạt động ở băng C Các radar dẫn đường, cảnh giới cự ly trung bình và các radar đo lường cũng hoạt động ở băng C

Băng X được sử dụng cho các hệ thống radar, trong đó anten có kích thước nhỏ Các hệ thống này được sử dụng trong hầu hết các radar quân sự đa chức năng trên máy bay Các hệ thống radar trong đó đòi hỏi khả năng phát hiện mục tiêu tốt và ít chịu tác động của suy hao khí quyển đến băng tần số cao đều được

sử dụng ở băng X Các băng tần số cao hơn (Ku, K, và Ka) chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của suy hao khí quyển và thời tiết, do đó các radar sử dụng băng tần số này chỉ giới hạn trong các ứng dụng cự ly ngắn như radar cảnh sát giao thông Các radar bước sóng milimet chủ yếu giới hạn hoạt động ở các hệ thống

cự ly ngắn và các hệ thống thí nghiệm

2.1.1.4 Ứng dụng của radar

 Các ứng dụng của radar có thể dụng trong các mục đích sau:

- Xác định độ ẩm và vùng lụt Vạch ranh giới tuyết và băng, đo độ sâu của tuyết

- Xác định thông số của đất trồng, cấu trúc địa chất, các thanh tạo kim loại và khoáng sản, tìm kiếm nước ngầm

- Tìm đối tượng nằm sâu dưới mặt đất

- Hướng dẫn đường bay trong ngành hàng không

- Vẽ bản đồ địa hình với độ chính xác cao

- Vẽ mặt cắt nhiệt độ quyển khí

- Đo độ bốc hơi nước trong khí quyển

- Đo hàm lương nước trên đám mây

- Đo độ cao địa hình, độ sâu đấy biển

- Vẽ bản đồ thành thạo của sông và biến động bờ

 Với các dải sóng radar khác nhau sẽ có ứng dụng khác nhau:

đã được sử dụng thay cho giám sát K-band được

sử dụng để phát hiện những đám mây, khí tượng học, và cảnh sát để phát hiện người lái xe quá tốc

độ Súng radar K-band hoạt động ở 24,150 ± 0,100 GHz

Được sử dụng như một bộ cảm biến hình ảnh cho

xe thử nghiệm tự động, độ phân giải cao quan sát khí tượng, và hình ảnh

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của radar

2.1.2.1 Cấu tạo của radar

Các hệ thống radar bao gồm bốn phần chính: máy phát, ăng ten, nhận, và hiển thị Và còn một số khối khác như khối đồng bộ, khối chuyển mạch…

Sơ đồ 2.2 Sơ đồ khối của một radar xung

Diễn giải: máy phát tạo ra một xung điện từ siêu cao tần, qua chuyển mạch, tới anten, bức xạ vào không gian Xung radio gặp mục tiêu phản xạ trở về, qua mạch vào máy thu, qua bộ khuếch đại và sửa đổi tín hiệu cho ta tín hiệu quan sát được trên màn mình

Chức năng từng bộ phận:

- Anten: thu phát tín hiệu của vật

- Khối chuyển mạch: xử lý trung gian các thông tin phát và thu

-máy phát: cung cấp năng lượng cho tất cả các khối khác Nguồn cung cấp một năng lượng tiêu thụ nhỏ hơn năng lượng phát xung

- Máy thu: nhận các thông tin anten thu được xử lý và chuyển đến khối hiển thị

- Khối đồng bộ: + Kết hợp sự tính toán thời gian cho xác định phạm vi

+Điều chỉnh tốc độ xung gửi

+ tín hiệu từ bộ đồng bộ gửi tới máy phát

+ Gửi một xung mới đến màn hình để reset lại quét màn hình

- Khối hiển thị: sử dụng màn hình LCD để hiển thị các thông tin, kết quả đã được xử lý

2.1.2.2 Nguyên lí hoạt động của radar

Radar hoạt động ở tần sô vô tuyến siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn, dưới dạng xung được phát theo một tần số lập xung nhất định Nhờ vào ănten, sóng radar tập trung thành một luồng hẹp phát vào trong không gian Trong quá trình lan truyền, sóng radar gặp bất kỵ mục tiêu nào thì nó bị phản xạ trở lại Tín hiệu phản xạ trở lại được chuyển sang tín hiệu điện Nhờ biết được vận tốc sóng, thời gian sóng phản xạ trở lại nên có thể biết được khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu

Sóng radio có thể dễ dàng tạo ra với cường độ thích hợp, có thể phát hiện một lượng sóng cực nhỏ và sau đó khuếch đại vài lần Vì thế radar thích hợp để định

vị vật ở khoảng cách xa mà các sự phản xạ khác như của âm thanh hay của ánh sáng là quá yếu không đủ để định vị

Máy phát cung cấp các tín hiệu rf đủ sức mạnh (năng lượng) cho độ nhạy radar mong muốn và gửi nó đến các ăng-ten, gây ra tín hiệu để được bức xạ vào không gian theo một hướng mong muốn Tuyên truyền tín hiệu (bức xạ) trong không gian, và một số của nó được chặn bởi các cơ quan phản ánh Những phản ánh, một phần ít nhất, bức xạ trở lại ăng-ten Ăng-ten thu thập và các tuyến đường tất cả các tín hiệu nhận được cho người nhận, nơi họ được khuếch đại và phát hiện Sự hiện diện của một tiếng vang của các tín hiệu được truyền đi tín hiệu nhận được cho thấy sự hiện diện của một mục tiêu Tiếng vang là chỉ ra bởi

sự gia tăng đột ngột trong đầu ra của máy dò, trong đó sản xuất một điện áp tỷ lệ thuận với tổng của các tín hiệu rf được nhận và tiếng ồn rf vốn có trong bản thân người nhận (video ) Thời gian giữa việc truyền tải và nhận được echo tiết lộ phạm vi mục tiêu Chỉ đạo hoặc chịu lực của mục tiêu là tiết lộ của hướng ăng-ten đang chỉ khi nhận được tiếng vang

 Nguyên lí phát xung trong radar xung

Radar phát 1 xung radio trong thời gian τx thám sát mục tiêu, sau đó chờ xung phản xạ trở về mới phát xung tiếp theo theo một chu kỳ nhất định là Tx Radar phát sóng hướng nào sẽ thu sóng phản xạ trên hướng đó

Do τx << Tx nên cũng có thể coi Tx là thời gian thu xung Tín hiệu phản xạ

từ mục tiêu trở về, qua anten, vào chuyển mạch rồi vào máy thu, khuếch đại, sửa đổi thành tín hiệu điện, đưa sang bộ chỉ báo thành tín hiệu ánh sáng trông thấy được trên mặt chỉ báo ở vị trí tương ứng với vị trí ngoài thực địa

Để cho máy phát, máy thu và máy chỉ báo hoạt động đồng bộ với nhau, người ta tạo ra các xung chỉ thị từ khối đồng bộ điều khiển toàn trạm radar

Để anten có thể dùng chung cho cả bộ phát và bộ thu, người ta tạo ra bộ chuyển mạch anten tách máy phát và máy thu phù hợp lúc phát và lúc thu:

- Ngắt máy thu khi máy phát hoạt động (phát sóng), chống công suất lớn phá hỏng máy thu

- Ngắt máy phát khi máy thu hoạt động (thu sóng), đảm bảo công suất đủ lớn để thể hiện thành tín hiệu mục tiêu

 Cơ cấu hiện ảnh của radar

Trong radar sử dụng ống phóng tia điện tử CRT để thể hiện ảnh các mục tiêu Giả sử tại thời điểm t1 có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở về, sau khi biến đổi sẽ tạo trên cathode tín hiệu âm hơn bình thường (tín hiệu dương vào lưới ống phóng tia điện tử) ⇒ tại thời điểm đó mật độ các tia điện tử bắn về màn hình nhiều hơn, làm điểm sáng sáng hơn lên – đó chính là ảnh của mục tiêu Khi tia quét đi qua, nhờ có lớp lưu quang nên điểm sáng vẫn còn lưu lại Một mục tiêu khác ở xa tâm hơn nên tín hiệu về sau (thời điểm t2) nên ảnh ở xa tâm hơn Anten và tia quét quay đồng bộ, đồng pha Mục tiêu 1 nhỏ, búp phát lướt qua nhanh nên tín hiệu phản xạ trở về nhỏ → ảnh trên màn hình nhỏ Giả sử có mục tiêu là 1 dãi bờ, tín hiệu phản xạ trở về là 1 dãi sáng liên tục Vậy các mục tiêu nhỏ thời gian sóng phản xạ ít nên ảnh thể hiện nhỏ & ngược lại

Để tia quét quay đồng bộ, đồng pha với anten, người ta tạo ra ở cổ CRT 1 từ trường xoay bằng cách đưa vào cuộn lái tia để từ trường này điều khiển tia quét quay đồng bộ, đồng pha với anten