thiết kế mạch cảm biến va chạm cho ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN VA CHẠM CHO Ô TÔ Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Quang Nhóm sinh viên thực hiện: MỤC LỤC TRANG LỜI MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI 2.MỤC ĐICH THIẾT KẾ CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN QUANG CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.SƠ ĐỒ KHỐI 2.CHI TIẾT CÁC PHẦN THIẾT KẾ MẠCH 1.SƠ ĐỒ MẠCH THIẾT KẾ 2.LỰA CHỌN LINH KIỆN 10 3.MƠ HÌNH MẠCH ĐÃ THIẾT KẾ ĐƯỢC 12 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 13 1.KẾT LUẬN 13 2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 13 CHƯƠNG I CHƯƠNG IV CHƯƠNG V LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, giới, cách mạng khoa học công nghệ tiếp tục phát triển nhanh chóng với trình độ ngày cao, thúc đẩy trình chuyển dịch cấu kinh tế giới, quốc tế hoá kinh tế đời sống xã hội Nền kinh tế Việt Nam – với xuất phát điểm thấy công nghiệp, lạc hậu, để có tốc độ tăng trưởng cao hơn, cần có lực đẩy mạnh mẽ – lực đẩy có nhờ đẩy mạnh cơng Cơng nghiệp hố, đại hố đất nước, tạo ta chuyển đổi cấu kinh tế theo hướng đại Nhận thức điều đó, hội nghị đại biểu tồn quốc nhiệm kỳ Đảng vào tháng 1/1994 đề nhiệm vụ chủ yếu, Thúc đẩy chuyển dịch cấu kinh tế theo hướng Cơng nghiệp hố, đại hoá coi nhiệm vụ quan trọng hàng đầu,là đòi hỏi khách quan phát triển kinh tế – xã hội nước ta giai đoạn – giai đoạn độ lên Chủ nghĩa xã hội Yêu cầu đặt sinh viên chuyên ngành điện tự động hóa cần phải nắmvững, học hỏi trao dồi kiến thức kỹ từ đến phức tạp như: biết cách sử dụng thành thạo loại cảm biến kết nối với hệ thống để thu nhận tín hiệu, kỹ lập trình hệ thống sử dụng vi điều khiển hệ thống công nghiệp ứng dụng sinh hoạt sản xuất Sau thời gian học tập nghiên cứu với nỗ lực nhóm, chúng em hồn thành đề tài thiết kế hệ thống đóng mở tự động Mơn Điện Tử Tương Tự môn sở ngành cung cấp cho chúng em kiến thức bản, chúng em phải tự tìm tịi nghiên cứu nên khơng tránh khỏi thiếu xót, chúng em mong bảo thầy để sản phẩm hoàn thiện ứng dụng vào thực tế CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI Ý tưởng đề tài Hiện nạn oto điểm mù thường xảy dẫn đến hậu xấu Có nhiều ứng dụng để giảm thiểu tình trạng xảy có ứng dụng cảm biến quang tiệm cận Xuất phát từ nhóm chúng em với hướng dẫn thầy Quang - môn điện tử tương tự tìm tịi triển khai xây dựng mạch điện cảm biến quang tiệm cận cho tơ Mục đích thiết kế • Cảm biến va chạm ôtô thiết bị gắn thân xe ơtơ với chức phát tín hiệu cảnh báo để người lái xử lý lập tức, nhằm hạn chế tối đa tình va quệt đậu xe cách xác • Mặc dù trang bị gương chiếu hậu (hai bên hông cabin) xe tồn “góc mù”mà người lái quan sát hết Do đó, nhiều người chọn phương án lắp thêm cảm biến va chạm  Những lợi ích bật cảm biến va chạm tơ • Khắc phục điểm mù góc chết tơ • Hạn chế tối đa va chạm khơng đáng có • Nhận biết nguy hiểm sớm có hành động đề phịng hay né tránh, giảm thiểu tai nạn CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN QUANG Hiện thị trường có hàng tram ngàn cảm biến phục vụ mục đích khác nhau, có mẫu số chung làm từ sensor phần tử điện thay đổi tính chất theo biến đổi mơi trường Cấu tạo cảm biến gồm phần tử mạch điện tạo thành hệ thống hồn chỉnh, đóng gói nhỏ gọn vỏ hộp Các tín hiệu phát quy chuẩn theo mức điện áp dóng điện thông dụng phù hợp với điều khiển Mặc dù có hàng ngàn loại cảm biến khác nhau, thực tế thiết kế loại máy móc, đặc biệt ngành điện tự động hóa, có vài chục cảm biến cơng nghiệp thơng dụng mà dung nhiều, thường thấy cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến áp suất, cảm biến tiệm cận, cảm biến siêu âm, cảm biến độ ẩm, … Đó sensor thường thấy thị trường Cảm biến quang cấu tạo linh kiện bán dẫn quang điện, có ánh sáng chiếu vào bề mặt bán dẫn thay đổi tính chất light sensor Tín hiệu quang chuyển đổi sang tín hiệu quy chuẩn thơng qua bảng mạch điện tử, nhờ tượng phát xạ điện cực catot Thường cảm biến quang có đầu thu đầu phát tín hiệu quang, chia làm nhiều loại theo ngun lí làm việc: • • • Loại cảm biến quang thu phát gồm phát ánh sáng hông ngoại, laze, thu sensor quang nhạy để chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện Cảm biến quang phản xạ gương tức thu phát nhận tín hiệu qua gương đặt đối diện, nguyên lý khơng có vật chạy qua tín hiệu từ đầu phát phản xạ lại vào đầu thu Tín hiệu thường xuất NPN PNP Ưu điểm loại phát xa so với cảm biến quang thu phát thông thường hay cảm biến quang độc lập, tiết kiệm chi phí lắp đặt đầu tư Cảm biến quang dạng khuếch tán thường dùng cho máy dây chuyền đếm sản phẩm, đếm hàng hóa chạy băng tải phổ biến công nghiệp Các sản phẩm tiêu biểu sợi cảm biến quang omron, cảm biến thu phát chung omron, Ưu nhược điểm loại cảm biến quang Cảm biến quang có nhiều ưu điểm so với loại cảm biến khác( cảm biến từ, cảm biến điện dung ….) • Cảm biến quang khơng tiếp xúc trực tiếp với vật cần phát tuổi thọ, độ bền cao • Khoảng cách phát Cảm biến quang xa, việc giúp khơng nhỏ cho việc thiết kế lắp đặt • Một ưu khơng thể bỏ qua cảm biến quang phát hầu hết loại vật thể, vật chất hỗ trợ nhiều tự động hóa » Như sau trình tìm hiểu giáo trình, mạng internet với hướng dẫn thầy, chúng em định thiết kế mạch cảm biến quang thu phát để làm cảm biến cảnh báo va chạm cho xe ô tô CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.Sơ đồ khối Cấu trúc cảm biến quang tiệm cận gồm: • Bộ phát sáng • Bộ thu sáng • Mạch xử lí tín hiệu Chi tiết phần Bộ phát sáng • Ngày cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED để phát ánh sáng • Các loại LED thơng dụng LED đỏ, LED hồng ngoại LED laze Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng xanh Tuy nhiên, thông thường nguồn sáng phát tần số mà mắt người khơng nhìn thấy Bộ thu sáng • Thơng thường thu sáng phototransistor (tranzito quang) Bộ phận cảm nhận ánh sáng chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ • Bộ phận thu nhận ánh sáng trực tiếp từ phát (như trường hợp loại thu-phát), ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát (trường hợp phản xạ khuếch tán), điều cịn tùy theo đặc điểm loại cảm biến khác Mạch xử lí tín hiệu • Mạch đầu chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu vượt mức ngưỡng xác định, tín hiệu cảm biến kích hoạt • Một số loại cảm biến hệ trước tích hợp mạch nguồn dùng tín hiệu tiếp điểm rơ le, ngày loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu bán dẫn(PNP/NPN) • Chúng em lựa chọn mạch xử lí tín hiệu mạch so sánh  Mạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật tốn hình vẽ Đó q trình so sánh biên độ điện áp đưa vào với điện áp chuẩn (Uch) có cực tính dương hay âm Thông thường điện áp chuẩn xác định trước  Khi UV < Uch U0< Ura = +Ura.max  Khi UV > Uch U0 > Ura= - Ura.max  Khi Ura = +Ura.max ta nói IC bão hồ dương  Ura = - Ura.max ta nói IC bão hoà âm  Về giá trị điện áp bão hồ thấp nguồn ni (1÷ 3V) tuỳ vào loại IC Mạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật toán(a,c) hàm truyền đạt tương ứng(b,d) Ở hình vẽ b) điện áp vào đưa đưa tới cửa thuận điện áp chuẩn cửa đảo UV < Uch Ura = - Ura.max UV > Uch Ura = +Ura.max Khi làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần ý đến tính qn tính (trễ) IC thuật tốn Với IC thuật toán tiêu chuẩn thời gian tăng điện áp khoảng V/μs Trong điều kiện tốt nên sử dụng IC chuyên dùng có tốc độ chuyển biến nhanh loại μA710, A110, LM310… CHƯƠNG IV THIẾT KẾ MẠCH 1.Sơ đồ mạch thiết kế ( vẽ phần mềm Altium) Chú thích: LED1: LED phát LED2: LED thu 10 Nguyên lí hoạt động mạch: Khi LED1 cấp nguồn Vcc phát tia hồng ngoại Khi có trường hợp xảy ra:  Khi khơng có vật cản LED2 không thu ánh sáng hồng ngoại phát từ LED1, điện trở hai chân LED2 lớn làm cho điện đầu vào không đảo nhỏ đầu vào đảo, dẫn đến đầu có điện = Khi khơng có điện đầu cịi không kêu  Khi xuất vật cản, ánh sáng hồng ngoại phát từ LED1 đến vật cản bị phản xạ lại vào LED2 làm cho điện trở hai chân LED2 nhỏ đi, điện không đảo lớn điện đảo, dẫn đến đầu có điện khác Khi đầu có điện cịi kêu Lựa chọn linh kiện • Đối với mạch xử lí tín hiệu đầu (mạch so sánh), chúng em lựa chọn IC LM358 IC LM358 khuếch đại thuật tốn kép cơng suất thấp, khuếch đại có ưu điểm so với khuếch đại thuật toán chuẩn ứng dụng dùng nguồn đơn IC LM358 hoạt động nguồn điện áp thấp 3V cao lên tới 32V Có cơng suất cực máng thấp, nhiên có độ lợi cao 100dB Cấu tạo bên gồm khuếch đại thuật tốn, tương thích với nhiều loại mạch logic khác 11 Thông số kỹ thuật:  Model: 14 chân, xuyên lỗ  Điện áp: 3-32V với nguồn đơn, 1.5-16V với nguồn đôi  Dải nhiệt độ hoạt động: ~ 70oC  Độ lợi khuếch đại DC 100dB  Điện áp ngõ ra: 0V đến VCC (+)-1.5V Các tính khuếch đại thuật tốn: •  Bảo vệ áp lối  Tầng khuếch đại vi sai lối vào  Dòng cung cấp lối vào thấp  Dải tín hiệu pha mở rộng tới nguồn âm Một số linh kiện khác Tên LED thu hồng ngoại LED phát hồng ngoại 12 Số lượng 1 Điện trở 100ohm Điện trở 10k ohm Nguồn 6v Bo mạch Biến trở tam giác 10k 103 Còi chip 5V Mơ hình mạch thiết kế 13 Qua q trình chạy thử nghiệm mạch, nhận thấy mạch hoạt động tương đối ổn định Khi có vật thể chắn khoảng cách khoảng 30-50 cm còi báo kêu Để thay đổi khoảng cách mà mạch cảm biến vật thể ta thay đổi giá trị biến trở tam giác đơn giản thuận tiện 14 CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Qua trình tìm hiểu thiết kế mạch, chúng em rút số ưu nhược điểm mạch cảm biến quang sau: • Ưu điểm  Dễ làm, dễ thực  Linh kiện rẻ, dễ mua  Có thể ứng dụng vào thực tế • Nhược điểm × Khoảng cách phát vật cản cịn tương đối nhỏ × Tỉ lệ lỗi đen/trắng cao × Khoảng cách phát phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt vật Hướng phát triển đề tài » Đây đề tài đơn giản, không phức tạp thú vị dù tiềm để phát triển khơng phải q lớn Hiện nay, việc thiết kế mạch cảm biến để cảnh báo vật cản cho ô tô phổ biến đặc biệt hầu hết người ta sử dụng mạch cảm biến quang nhiều nguyên nhân số độ xác chưa thực cao, gây an toàn cho người ngồi xe » Nếu có điều kiện khả tiếp tục nghiên cứu đề tài cảm biến cho ô tô, nhiều khả chúng em mở rộng vấn đề này, tìm hiểu thêm thiết kế mạch cảm biến khác phù hợp hơn, xác hơn, làm việc hiệu phổ biến mạch cảm biến siêu âm, mạch cảm biến điện từ, » Lời cuối, chúng em xin cảm ơn Thầy giảng dạy, hỗ trợ, hướng dẫn chúng em suốt kì học vừa qua theo dõi trình bày nhóm em Một lần xin chân thành cảm ơn Thầy 15 ... giản, không phức tạp thú vị dù tiềm để phát triển khơng phải lớn Hiện nay, việc thiết kế mạch cảm biến để cảnh báo vật cản cho ô tô phổ biến đặc biệt hầu hết người ta sử dụng mạch cảm biến quang... cảm biến khác nhau, thực tế thiết kế loại máy móc, đặc biệt ngành điện tự động hóa, có vài chục cảm biến công nghiệp thông dụng mà dung nhiều, thường thấy cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm. .. khác( cảm biến từ, cảm biến điện dung ….) • Cảm biến quang khơng tiếp xúc trực tiếp với vật cần phát tuổi thọ, độ bền cao • Khoảng cách phát Cảm biến quang xa, việc giúp không nhỏ cho việc thiết kế