Thiết kế mạch cảnh báo khoảng cách

Lời nói đầu Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển cách mạnh mẽ, việc ứng dụng thiết bị điện tử vào đời sống ngày trở nên phổ biến hơn, với thời đại mà hệ thống nhúng lên Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, điện tử ngày sử dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực đời sống mang lại hiệu kinh tế cao Đặc biệt từ đời linh kiện bán dẫn với độ tích hợp cao điện tử ngày khẳng định vị đời sống Với kiến thức học tìm hiểu từ trường học khoa học công nghệ sống đại, em có mong muốn góp thêm phần vào phát triển xã hội cách học hỏi đưa sản phẩm có ích cho sống Em xin giới thiệu sản phẩm thiết thực cho sống chúng ta: “Mạch cảnh báo khoảng cách’ Thông qua đề tài chúng em có điều kiện tốt để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang đường chọn tương lai Trong thời gian nghiên cứu làm đồ án dựa vào kiến thức học trường, qua số sách, tài liệu tham khảo có liên quan với giúp đỡ tận tình thầy giáo, bạn đặc biệt với hướng dẫn tận tình Trịnh Thị Nga em hồn thành đồ án mơn học lần Em xin chân thành cảm ơn! Nội dung CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài Hiện công nghệ ngày phát triển đời sống người dần cải thiện tốt nhiều Nhu cầu sử dụng xe dần trở nên phổ biến khắp nơi, đó tình khó xử lý với xe cụ thể pha xử lý lùi xe đỗ xe Khi mà tài xế khơng thể nhìn xác khoảng cách xe với vật thể đuôi xe nên việc va chạm xe với vật khác có thể xảy Xe phương tiện đắt tiền nên lần bị trầy xước hay hỏng hóc chi phí sửa chữa cao( tùy loại xe mà phí sửa chữa có thể lên tới trăm triệu) Nhận thấy bất tiện đó, nhóm định tìm hiểu thiết kế thiết bị có khả giúp đỡ người lái xe có thể nhận biết giữ khoảng cách an tồn cho phần xe, tránh gây va chạm 1.2 Yêu cầu đề tài Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo khoảng cách Thiết kế mạch Sử dụng cảm biến HCSR04 1.3 Phạm vi nghiên cứu + Sóng siêu âm cảm biến siêu âm + Ứng dụng cảm biến siêu âm + Khảo sát mạch cảnh báo khoảng cách cảm biến siêu âm 1.4 Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp tham khảo tài liệu: chọn lọc tài liệu, kiến thức liên quan để vận dụng vào đề tài thông qua tài liệu chuyên ngành mạng internet + Thực nghiệm: Thực lắp đặt trực tiếp để có kết xác nhìn tổng quan + Mô phần mềm hỗ trợ CHƯƠNG II: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Sơ đồ khối Khối tạo xung Khối cảm biến Khối phát tín hiệu Khối nguồn DC 5V Hình Sơ đồ khối toàn mạch 2.2 Chức khối 2.2.1 Khối nguồn Hình Khối nguồn 5V Nguồn cung cấp cho toàn mạch nguồn 5V chiều Sử dụng nguồn có tính ổn định cao để mạch hoạt động trơn tru, không bị gián đoạn Trong đó LM 7805 IC ổn áp C1 tụ lọc nguồn đầu vào C2 tụ lọc nguồn đầu Led báo dòng Cầu diode mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành 2.2.2 Khối phát xung Sử dụng IC 555 tạo xung vng Hình IC NE555 - Thông số: + Điện áp đầu vào : - 18V + Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA + Điện áp logic mức cao : 0.5 - 15V + Điện áp logic mức thấp : 0.03 - 0.06V + Công suất tiêu thụ (max) 600mW + Nhiệt độ hoạt động: 0-70°C - Chức năng: + Thiết bị tạo xung xác + Máy phát xung + Điều chế độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng thu phát hồng ngoại) - Chức mạch: Tạo xung Trigger liên tục cấp cho cảm biến siêu âm - Chức chân: Hình Các chân IC NE555 + Chân (ground) chân nối mass để tạo dịng điện ,nếu khơng nối mass ic không làm việc theo ý muốn + Chân (Trigger) Đây chân so sánh với mức áp chuẩn 1/3 Vcc Nếu chân lớn 1/3Vcc cho tín hiệu S = nhỏ 1/3Vcc cho S = + Chân (Output) : Chân tín hiệu dạng xung vuông + Chân (Reset) Chân tích cực mức thấp nối lên dương nguồn Ic hoạt động bình thường cịn mức thấp nó xóa + Chân ( Control Voltage) Chân chân điều chỉnh điện áp ,chân dùng để điều chỉnh độ rộng Ic 555 nó làm nhiệm vụ điều chế độ rộng xung làm việc mạch dao động trì hỗn chân có thể bỏ hở mắc thêm tụ để chống nhiễu + Chân ( Threshold) Chân so sánh mức áp chuẩn 2/3 Vcc.Nếu chân lớn 2/3Vcc cho tín hiệu S = nhỏ cho S = + Chân (Discharge) Chân có chức để xả tụ nó làm việc chế độ dao động trì hoãn + Chân (Vcc) Đây chân cấp nguồn ni.Bất kì Ic muốn làm việc phải có nguồn nuôi cấp cho nó Ic 555 nó cấp nguồn khoảng từ 5V đến 15V Hình Sơ đồ chân IC NE555 IC NE555 điều chỉnh độ rộng xung qua biến trở - Nguyên lý hoạt động IC 555 Khi điện áp chân số (TRIG) mức kích mạch Flip – Flop trạng thái Set (mức 1) làm cho gõ (OUT) mức cao (mức 1) Khi điện áp chân TRIG IC 555 mức kích đồng thời chân ngưỡng (THRES – chân 6) mức ngưỡng tự động mạch Flip – Flop bị reset mức từ đó làm cho đầu output xuống mức Ngoài ra, chân RESET (chân 4) xuống mức thấp mạch Flip – Flop bị reset khiến cho đầu (OUT) xuống mức Khi đầu mức lúc DISCH (chân 7) nối với GND + Chức hoạt động chân Chân (GND): Chân nối GND để giúp cung cấp dòng cho IC hay gọi mass chung Chân số (TRIGGER): Được biết đến chân đầu vào thấp so với điện áp so sánh sử dụng giống chân chốt tần số áp Mạch so sánh sử dụng Transistor PNP với điện áp chuẩn ⅔ Vcc Chân số (OUTPUT): Đây chân lấy tín hiệu logic đầu Trạng thái tín hiệu chân số xác định mức thấp (mức 0) mức cao (mức 1) Chân số (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu IC 555 Khi chân nối với Mass OUTPUT mức Cịn chân mức cao trạng thái đầu phụ thuộc theo mức áp chân số chân số Trong trường hợp, muốn tạo dao động thường chân nối trực tiếp với nguồn Vcc Chân số (CONTROL VOLTAGE): Chân sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở nối với chân số GND Chân số (THRESHOLD): Là chân đầu vào để so sánh điện áp dùng chân chốt Chân số (DISCHAGER): Đây coi khóa điện tử chịu tác động điều khiển từ tầng logic chân Khi đầu chân OUTPUT mức khóa đóng ngược lại Chân số có nhiệm vụ tự nạp xả điện cho mạch R-C Chân số (Vcc): Đây nguồn cấp cho IC 555 hoạt động Chân có thể cung cấp với mức điện áp dao động từ – 18V 2.2.3 Khối cảm biến Cảm biến siêu âm HC-SR04 dạng cảm biến module Cảm biến thường mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm loa cao tần Hình Cảm biến siêu âm HCSR04 - Thông số: + Nguồn làm việc: 5V (một số mạch điện tử có thể cấp nguồn 3.3V hoạt động bình thường cảm biến siêu âm cần hoạt động mức 5V) + Dịng tiêu thụ : nhỏ 2mA + Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) LOW (0V) + Khoảng cách đo: 2cm - 300cm (3 mét) + Độ xác: 0.5cm - Cấu tạo : Cấu tạo cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm phần: - Bộ phận phát sóng siêu âm: Cấu tạo đầu phát đầu thu siêu âm loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao tần số thường 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách Hình Phát sóng cảm biến siêu âm HCSR04 - Về nguyên lý, loa cần có nguồn điện áp cao phát tốt ( nhà sản xuất công bố = 30V) Trên mạch công suất sử dụng IC MAX232 làm nhiệm vụ đệm IC lấy tín hiệu từ điều khiển, khuếch đại biên độ lên mức +/-30V cấp nguồn cho loa IC đóng ngắt qua transistor để hạn chế việc tiêu thụ dòng - Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ Thiết bị thu dạng loa gốm có cấu tạo nhạy với tần số chẳng hạn 40KHz Qua loạt linh kiện OPAM TL072, transistor NPN… Tín hiệu liên tục khuếch đại biên độ cuối đưa qua so sánh, kết hợp với tín hiệu từ điều khiển để đưa điều khiển - Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu Vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính tốn thời gian từ phát đến thu sóng siêu âm nhận tín hiệu TRIG - Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04 Ta phát xung ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Tiếp theo, xung HIGH chân Echo cảm biến tạo phát nhận lại sóng phản xạ chân Lúc này, độ rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biến phản xạ lại 10 Hình Cảm biến siêu âm HC SR04 T : Loa phát sóng siêu âm R : Loa thu NE555 phát xung mức cao Trig có độ rộng tối thiểu 10μs nhận xung mức cao loa phát (T) Module phát sóng siêu âm lan truyền khơng khí với tốc độ 340m/s gặp vật cản sóng siêu âm phản xạ trở lại loa thu ( R ) nhận lúc đó 11 2.2.4 Khối phát tín hiệu Sử dụng cịi buzzer thụ động - Thơng số kĩ thuật : • • • • Điện áp: 5VDC Tần số hoạt động: 2Khz -5Khz Kích thước: 12mm* 8.5mm Trọng lượng: 1g Hình 10 Còi buzzer thụ đợng Bộ rung thụ động yêu cầu tín hiệu AC để tạo âm Nó giống loa điện từ, nơi tín hiệu đầu vào thay đổi tạo âm thanh, thay tự động tạo âm Một chân còi nối với dương nguồn, chân lại nối với chân Echo cảm biến Khi có tín hiệu sóng vng từ 2K-5K cịi phát tiếng, tần số âm phụ thuộc tần số sóng Khi cảm biến phát tín hiệu tới vật cản quay trở lại, chân Echo tạo sóng dao động sóng truyền trực tiếp đến còi đề phát tín hiệu 12 2.3 Thiết kế mạch 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 11 Sơ đồ nguyên ly 2.3.2 Mạch in Hình 12 Mạch in 13 2.3.3 Thiết kế mạch phần mềm Hình 13 Mơ hình 3D 14 2.3.4 Nguyên lý mạch Nguyên lý mạch: Hình 14 Dạng sóng ngõ dạng sóng tụ C quá trình nạp xả ln phiên 15 Hình 15 Sơ đồ nguyên lí IC 555 Một định thời 555 có hai so sánh (về op-amps), flip-flop R-S, hai trasistor mạng điện trở Mạng điện trở bao gồm ba điện trở (mỗi điện trở 5K Ohms) hoạt động chia điện áp Lưu ý mạng điện trở thiết kế cho điện áp cực nghịch Bộ so sánh / 3Vcc điện áp cực không đảo Bộ so sánh / 3Vcc Bộ so sánh - so sánh điện áp ngưỡng (ở chân 6) với điện áp tham chiếu + 2/3 volt VCC Bộ so sánh - so sánh điện áp kích hoạt (ở chân 2) với điện áp tham chiếu + 1/3 volt VCC Giả sử mạch cấp nguồn bây giờ trạng thái đầu lật không đảo ngược - Q THẤP Khi Q mức THẤP, Vout mức CAO (mà gọi Đầu hẹn giờ) Bạn thấy Q kết nối trực tiếp với đế transistor (tại đầu cực xả) Vì vậy, Q mức THẤP, bóng bán dẫn trạng thái cắt (trạng 16 thái TẮT) Ở trạng thái này, tụ C kết nối trực tiếp với nguồn điện Vcc thông qua điện trở RA RB Vì vậy, tụ điện bắt đầu sạc phía điện áp cung cấp Vcc số thời gian sạc xác định giá trị RA RB (RA + RB) * C Các tụ điện sạc phía Vcc điều làm tăng điện áp ngưỡng (điện áp chân 6) IC 555 Khi tụ tích điện lên tới / 3Vcc nữa, điện áp ngưỡng vượt qua mức / 3Vcc điều buộc đầu op amp (bộ so sánh 1) mức CAO (lưu ý điện áp tham chiếu - đầu cuối so sánh / 3Vcc) Vì đầu op amp so sánh kết nối 'S' (đầu vào SET) flip flop, nên flip flop kích hoạt đầu Q (đầu không đảo ngược) flip flop chuyển sang CAO Bạn nhận lên này? Bạn có thể nhớ lại chúng tơi bắt đầu giải thích cách giả sử Q THẤP ban đầu Bây giờ kết việc sạc tụ điện, Q tự động chuyển CAO từ THẤP Khi Q lên CAO, Vout tự động chuyển sang THẤP Khi Q mức CAO, bóng bán dẫn chân (cực xả) BẬT bóng bán dẫn bị bão hòa Khi bóng bán dẫn bão hòa, chân 7Â (đầu cực phóng điện) đóng vai trò mặt đất cho tụ điện Kết là, đường dẫn có sẵn để tụ phóng điện từ mức / 3Vcc xuống volt Tụ điện bắt đầu phóng điện qua đường dẫn (thông qua RB) điều dẫn đến việc giảm điện áp cực kích hoạt (chân 2) 555 IC Hằng số thời gian xả xác định RB * C Khi tụ phóng điện xuống mức / 3Vcc, dẫn đến điện áp (điện áp tụ) đầu cực kích hoạt (lưu ý điện áp đầu vào tham chiếu + cực so sánh / 3Vcc), đầu op amp so sánh lên CAO Do đầu so sánh kết nối với ’R - - đầu vào đầu vào RESET SR flip flop, đầu Q flip flop từ CAO đến THẤP Khi Q chuyển sang THẤP, Vout tự động chuyển sang CAO Do đó, trình chuyển đổi tự động từ CAO sang THẤP sau đó từ THẤP sang CAO đạt Bộ đa ổn định Chu kỳ lặp lại Thời gian tụ điện để sạc từ Vcc/3 đến 2Vcc/3: THIGH = 0,693 (RA + RB) C đó RA R đơn vị Ohms C đơn vị Fara Thời gian mà tụ xả điện từ +2/3 VCC đến +1/3 VCC với thời gian đầu thấp đưa là: TLOW = 0,693 RB C đó đơn vị RB Ohms C Fara Tổng chu kỳ dao động T = THIGH + TLOW = 0,693 (RA + 2RB) C Tần số dao động nghịch đảo chu kỳ tổng thể dao động T đưa 17 f = / T = 1,44 / (RA + 2RB) C Hình 16 Xung vuông IC 555 NE555 phát xung mức cao Trig có độ rộng tối thiểu 10μs nhận xung mức cao loa phát (T) Module phát sóng siêu âm lan truyền khơng khí với tốc độ 340m/s gặp vật cản sóng siêu âm phản xạ trở lại loa thu ( R ) nhận lúc đó Echo tạo xung mức cao có độ rộng xung thời gian sóng siêu âm truyền từ module đến vật cản từ vật cản module CHƯƠNG III.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Kết luận Sau thời gian dài tìm tịi,học hỏi thử nghiệm cuối chúng em thiết kế thành cuối đó mạch cảnh báo khoảng cách sử dụng cảm biến siêu âm HC SR04, từ chúng em tích lũy cho thêm nhiều hiểu biết 18 linh kiện điện tử đặc biệt cảm biến IC số, từ đó giúp chúng em tích lũy thêm kinh nghiệm củng cố kiến thức tạo tiền tề cho môn học đồ án Về chúng em hoàn thành yêu cầu đề tài đó hạn chế : + Chưa tối ưu mặt kích thước số lượng linh kiện, cách bố trí linh kiện + Về nguyên lý: dừng lại cảnh báo tín hiệu âm thanh, tín hiệu chưa rõ ràng, xác + Mạch chạy khơng theo ý muốn lần thử nghiệm 3.2 Phương hướng phát triển -Vì mạch cảnh báo khoảng cách dừng lại phát tín hiệu âm thời gian tới, chúng em trang bị thêm kiến thức chuyên ngành có thể phát triển thêm: + Đo khoảng cách cách xác hiển thị khoảng cách hình LCD + Tín hiệu đầu phải xác + Mạch cần phải hoạt động ổn định + Kích thước mạch tối ưu + Có thể truyền tín hiệu qua Bluetooth đến thiết bị thông minh - Hiện giới mạch sử dụng cảm biến siêu âm để cảnh báo khoảng cách phổ biến, mẫu mã đẹp, giá thành rẻ Muốn sản phẩm có thể ứng dụng vào thực tế chúng em cần cố gắng nhiều để tối ưu sản phẩm mình, để sản phẩm làm đạt hiệu cao nhất, tối ưu 19 ... định tìm hiểu thiết kế thiết bị có khả giúp đỡ người lái xe có thể nhận biết giữ khoảng cách an toàn cho phần đuôi xe, tránh gây va chạm 1.2 Yêu cầu đề tài Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo... tín hiệu 12 2.3 Thiết kế mạch 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 11 Sơ đồ nguyên ly 2.3.2 Mạch in Hình 12 Mạch in 13 2.3.3 Thiết kế mạch phần mềm Hình 13 Mơ hình 3D 14 2.3.4 Ngun lý mạch Ngun lý... đến vật cản từ vật cản module CHƯƠNG III.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Kết luận Sau thời gian dài tìm tịi,học hỏi thử nghiệm cuối chúng em thiết kế thành cuối đó mạch cảnh báo khoảng cách