Thực hiện thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm bằng vi điều khiển msp 430 dải đo từ 2cm 2m, độ chính xác 1mm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THỰC HIỆN THIẾT BỊ ĐO KHOẢNG CÁCH SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN MSP430: DẢI ĐO TỪ 2CM – 2M, ĐỘ CHÍNH XÁC 1MM Người thực Lớp Khóa Ngành Người hướng dẫn : Phạm Xuân Minh : 11CVL : 2011-2015 : Cử Nhân Vật Lý : ThS Phạm Xuân Trung NIÊN KHÓA 2011 – 2015 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học Trường Đại Học Sư Phạm - Đại Học Đà Nẵng, với giúp đỡ tận tình q thầy nhiều mặt em tiếp thu nhiều kiến thức thời gian thực đề tài tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Vật Lý, Trường Đại Học Sư Phạm - Đại Học Đà Nẵng quan tâm, giúp đỡ em suốt trình học tập trường Em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Xuân Trung - Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng trực tiếp hướng dẫn, quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện để em hồn thành luận văn thời gian quy định Nhờ đó, em tiếp thu kiến thức tạo tảng quan trọng để em áp dụng sau Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè động viên, ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành tốt cơng việc q trình thực khóa luận Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến anh Công ty TNHH Thiết kế Giải pháp Điện tử Vnelektronics giúp đỡ em thời gian thực luận văn Mặc dù em cố gắng hồn thành luận văn khả khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để luận văn hoàn chỉnh Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 20 tháng 04 năm 2015 Sinh viên thực PHẠM XUÂN MINH GVHD: Phạm Xuân Trung i SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết luận văn trung thực chưa sử dụng Những nội dung luận văn thực hướng dẫn trực tiếp Thầy Phạm Xuân Trung Tôi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Đà Nẵng, ngày 20 tháng 04 năm 2015 Sinh viên thực PHẠM XUÂN MINH GVHD: Phạm Xuân Trung ii SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH HÌNH v DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii TỪ VIẾT TẮT viii LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI .2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MSP430F5510 1.1 Tổng quan vi điều khiển MSP430 1.2 Vi điều khiển MSP430F5510 1.2.1 Sơ đồ chân……………………………………………………………………6 1.2.2 Khối xử lý trung tâm CPU 10 1.2.3 Các vùng địa .12 1.2.4 Bộ định thời Timer_A .13 1.2.5 Bộ biến đổi ADC10 .16 1.2.6 Các ghi 17 1.3 MSP430F55xx Development Kit 19 1.3.1 Giới thiệu 19 1.3.2 Các tính MSP430F55xx Development Kit 20 1.3.3 Chương trình nạp 22 1.4 Kết luận: 22 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC23 2.1 Giới thiệu sóng siêu âm 23 GVHD: Phạm Xuân Trung iii SVTH: Phạm Xuân Minh KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 2.1.1 Sóng siêu âm 23 2.1.2 Các loại đặc trưng sóng siêu âm .24 2.1.3 Đặc điểm sóng siêu âm 25 2.1.5 Cảm biến siêu âm công nghiệp UA30CAD60NGM1TI .26 2.2 Bộ chuyển đổi ADC .29 2.2.1 Giới thiệu ADC .29 2.2.2 Bộ ADC ADS8517 16-bit .30 2.3 Kết luận chương .33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM 34 3.1 Đặt vấn đề 34 3.2 Trình biên dịch IAR EMBEDDED WORKBENCH .34 3.3 ALTIUM Designer 36 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý (Schematic) 36 3.3.2 Vẽ layout (PCB) 38 3.5 Thiết kế mạch thi cơng mơ hình 39 3.5.1 Sơ đồ khối hiển thị LED đoạn 39 3.5.2 Sơ đồ khối cảm biến .45 3.5.3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 46 3.6 Lưu đồ thuật toán 48 3.7 Kiểm tra đánh giá kết hệ thống .49 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 50 Kết luận 50 Hướng phát triển đề tài 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .52 GVHD: Phạm Xuân Trung iv SVTH: Phạm Xuân Minh KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc Vi Điều Khiển MSP430 Hình 1.2: Một số họ vi điều khiển MSP430 Hình 1.3: Vi điều khiển MSP430F5510 Hình 1.4: Sơ đồ khối CPU Hình 1.5: Sơ đồ vùng nhớ chương trình liệu Hình 1.6: Sơ đồ khối TimerA Hình 1.7: Up mode Hình 1.8: Continuous mode Hình 1.9: Up/down mode Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý MSP430F55xx Development KIT Hình 1.11: Sơ đồ Layout lớp top (trái) bottom (phải) Hình 1.12: MSP430F55xx Development Kit Hình 1.13: USB Firmware Upgrade Hình 2.1: Phân loại sóng theo tần số Hình 2.2: Sóng siêu âm Hình 2.3: Sóng dọc Hình 2.4: Sóng ngang Hình 2.5: Sóng mặt Hình 2.6: Cảm biến siêu âm cơng nghiệp UA30CAD60NGM1TI Hình 2.7: Sơ đồ lắp ráp cảm biến Hình 2.8: Sơ đồ chân ADC ADS8517 Hình 2.9: Sơ đồ mắc nối tiếp đầu ADC Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối thị LED đoạn GVHD: Phạm Xuân Trung v SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 3.3: Sơ đồ layout lớp Bottom (trái) lớp Top (phải) Hình 3.4: LED đoạn Hình 3.5: LED đoạn với Anode - Kathode chung Hình 3.6: Sơ đồ chân IC 74HC595 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến Hình 3.8: Sơ đồ layout mạch cảm biến Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Hình 3.10: Sơ đồ layout mạch nguồn Hình 3.11: IC ổn áp nguồn LM7805 Hình 3.12: IC ổn áp nguồn AMS1117 Hình 3.13: Lưu đồ thuật tốn Hình 3.14: Mơ hình thực tế GVHD: Phạm Xn Trung vi SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng chức chân vi điều khiển Bảng 1.2: Timer có chế độ hoạt động Bảng 1.3: Chức port xuất nhập chức đặc biệt Bảng 2.1: Chức chân ADC ADS8517 GVHD: Phạm Xuân Trung vii SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TỪ VIẾT TẮT PC : Program Counter MSP : Mixed Signal Microcontroller LED : Light Emitters Diode SP : Stack Pointer CPU : Central Processing Unit RAM : Random Access Memory ROM : Read Only Memory UART : Universal Asynchonus Receiver Transmitter ADC : Analog Digital Converter IC : Integrated Circuit DCO : Digitally Controlled Oscillator PWM : Pulse Width Modulation ALU : Arithmetics Logic Unit SPI : Serial Peripheral Bus RICS : Reduced Instruction Set Computer IrDA : Infrared Data Associatio ACLK : Auxiliary clock SMCLK : Submaster clock TACCR0 : Timer A Capture/Compare register CCIFG : Capture/Compare Interrupt Flag PSEN : Program Store Enable PCON : Power Control Register TMOD : Timer Mode Register GVHD: Phạm Xuân Trung viii SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật năm gần công nghệ điện tử có bước phát triển vượt bậc, đặc biệt điều khiển tự động Hiện nay, việc kiểm tra lỗi thiết bị công nghiệp, khám phá tình hình đáy biển… gặp nhiều khó khăn, phức tạp, nguy hiểm tốn nhiều chi phí Do vậy, việc ứng dụng sóng siêu âm để phát lỗi, độ sâu đáy biển…đã góp phần giải nhiều vấn đề Trong khóa luận tốt nghiệp em định chọn đề tài “ Thực thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm vi điều khiển MSP430: dải đo từ 2cm – 2m, độ xác 1mm” Nội dụng đề tài gồm chương: Chương 1: Tổng quan Vi điều khiển MSP430F5510 Chương 2: Tổng quan cảm biến siêu âm chuyển đổi ADC Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển cảm biến siêu âm để đo khoảng cách Do thời gian thực đề tài ngắn kiến thức hạn chế nên khóa luận khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong đóng góp ý thầy bạn Sinh viên thực PHẠM XUÂN MINH GVHD: Phạm Xuân Trung SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP P5SEL |= BIT2+BIT3; // Port select XT2 UCSCTL6 &= ~XT2OFF; // Enable XT2 // Use the REFO oscillator to source the FLL and ACLK UCSCTL3 = SELREF REFOCLK; UCSCTL4 = (UCSCTL4 & ~(SELA_7)) | (SELA REFOCLK); // MCLK will be driven by the FLL (not by XT2), referenced to the REFO Init_FLL_Settle(F_CPU / 1000, F_CPU / 32768); // Start the "USB crystal" XT2_Start(XT2DRIVE_2); break; default: return FAILED; } #endif // Delay for oscillator stabilize before enter main program delay_cycles(9000); return SUCCESS; } #endif /* _CLOCK_H_ */ GVHD: Phạm Xuân Trung 60 SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP *********************Chương trình hiển thị LED đoạn********************* #include #include "led7seg.h" #define LED_CTRL_ON // Active LOW #define LED_CTRL_OFF #define DISP_DOT BIT7 #define DISP_NDOT #define DISP_HANG 16 #define DISP_OFF 17 #define DISP_ALL 18 // ! 74HC595 // ! Common Anode (h: MSB, a: LSB) // // A B C D E F - OFF ALL BYTE LED_CODE[]={0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xA7, 0xA1, 0x86, 0x8E, 0xBF, 0xFF, 0x80 }; led7seg::led7seg() { BYTE i; // Init display number GVHD: Phạm Xuân Trung 61 SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP led_index = 0; for (i = 0; i < (4 * NUM_OF_LED7SEG); ++i) { led_number[i] = LED_CODE[DISP_OFF]; } } /*============================================================== Name : Begin ==============================================================*/ void led7seg::begin( void ) { BYTE dataOFF, i; // LED Sub: Make output pins DIR_LAT(OUTPUT); DIR_SCK(OUTPUT); DIR_SDA(OUTPUT); CLR_SDA(); CLR_SCK(); CLR_LAT(); // Turn off all LEDs dataOFF = (LED_CTRL_OFF= (4*NUM_OF_LED7SEG)) break; number = number *10; ledArray[i++] = LED_CODE[(BYTE)number]; number = number - (long)number; } /* Copy data from buffer to display */ for (tmp = (4*NUM_OF_LED7SEG); tmp > 0; tmp) { if(i == 0) { led_number[tmp-1] = LED_CODE[DISP_OFF]; } else { led_number[tmp-1] = ledArray[i-1]; i ; } GVHD: Phạm Xuân Trung 66 SVTH: Phạm Xuân Minh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP } } /*============================================================== Name : display ==============================================================*/ void led7seg::display( void ) { BYTE i; led_index++; if(led_index >= 4) led_index = 0; // Turn off all LEDs for (i = 0; i < NUM_OF_LED7SEG; ++i) { shiftOut((LED_CTRL_OFF