Bảng 2.3: Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF [3]
*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến
**: Số vang ghi lại bởi cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau.
A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04/08) kích thước.
B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được. C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng. D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn.
2.8 CÁC SAI SỐ NHIỄU PHỔ BIẾN ĐỐI VỚI CẢM BIẾN SIÊU ÂM 2.8.1 Sai số lặp
Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường nào, trong đó có cả cảm biến siêu âm. Cảm biến siêu âm Polaroid 6500 được nhà sản xuất cung cấp sai số lặp là 3% so với khoảng cách trả về của cảm biến [7].
2.8.2 Hiện tượng Forecasting
Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến. Do nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc với bề mặt chướng ngại vật cần đo [7]. Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới. Các chùm tia phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn. Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó, cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này. Kết quả, thông số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn. Hình ảnh về hiện tượng Forecasting như sau:
Hình 2.17: Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật liệu [7]
Hình 2.18: Hiện tượng Forecasting [7]
Ngoài ra, vì góc mở rộng, nên không chỉ sai về nhận dạng vị trí chướng ngại vật, mà khoảng cách ghi nhận cũng bị sai lệch. Tuy vậy, sai số này không đáng kể như sai số do hiện tượng đọc chéo gây ra.
2.8.3 Hiện tượng đọc chéo (crosstalk)
Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến một cách không mong muốn.
Hiện tượng đọc chéo có thể phân loại thành hai loại chính:
Loại 1 là hiện tượng nhiều thiết bị hoạt động trong cùng một môi trường, và cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc do sóng siêu âm di chuyển trong không gian sau một thời gian ngẫu nhiên nào đó quay trở lại cảm biến [7].
Loại 2 là hiện tượng cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia trên cùng thiết bị sau quá trình phản xạ [7].
Hình 2.19 : Hiện tượng đọc chéo [7]
2.8.4 Ảnh hưởng của trường gần và trường xa
Mục tiêu chung của hầu hết thiết bị siêu âm là tạo ra chùm đơn hướng có cường độ đồng nhất và giới hạn vật lý để đạt được độ phân giải không gian tốt.
Tuy nhiên một nguồn sóng tròn với đường kính bằng một bước sóng tạo ra mặt sóng cầu xuất phát từ bề mặt tinh thể, sau đó chùm tia phân hướng nhanh chóng, các mặt sóng giao thoa tăng cường và triệt tiêu, kết quả tạo ra sóng cực kỳ phức tạp. Bên cạnh đó các vùng loãng và nén tạo ra chùm tia không đồng nhất.
Hình 2.20 : Các mặt sóng được tạo ra từ nguồn âm [7]
Cường độ chùm tia không đồng nhất tồn tại ở vùng trường gần (vùng không phân kỳ) và chùm đồng nhất ở trường xa (vùng phân kỳ). Trường xa gọi là vùng Fraunhofer và trường gần là vùng Fresnel.
Khoảng cách D chỉ độ sâu trường gần. Góc đặc trưng cho sự phân tán trường xa. Thiết bị được tính toán phân giải trong vùng trường xa có độ đồng nhất để đạt được độ phân giải không gian tốt. Hơn nữa tầm quét của thiết bị đòi hỏi quét trong vùng khá rộng, nên thiết bị chỉ có thể hoạt động trong vùng trường xa [7].
2.9 KẾT LUẬN
Chương này đưa ra lý thuyết về cảm biến siêu âm, các thông số của cảm biến sẽ sử dụng và các sai số nhiễu thường gặp ở cảm biến siêu âm. Những lý thuyết này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát về đề tài, cũng như một số vấn đề cần giải quyết và vận dụng.
CHƯƠNG 3: KHIẾM THỊ 3.1 GIỚI THIỆU
Khiếm thị hay còn gọi là triệu chứng mất khả năng cảm nhận thị giác một phần hoặc hoàn toàn (mù, đui). Người khiếm thị là người sau khi được điều trị hoặc điều chỉnh khúc xạ mà thị lực bên mắt tốt vẫn còn từ dưới 3/10 đến trên mức không nhận thức được sáng tối, và bệnh nhân vẫn còn khả năng tận dụng thị lực này để lên kế hoạch và thực thi các hoạt động hàng ngày. Riêng mắt người bị mù hoàn toàn không có khả năng nhận thức sáng tối, không thấy được những gì xung quanh. Chứng mù mắt có thể do rối loạn bẩm sinh, sinh lý hay thần kinh [20].
Một số người khiếm thị khó nhìn thấy những vật ngay trước mặt nhưng có thể nhìn thấy những vật trên sàn hoặc hai bên. Một số người ngược lại có thể thấy rõ những vật ngay trước mắt nhưng không thấy gì ở hai bên. Một số trường hợp bệnh lý có thể gây thị lực chỉ nhìn lốm đốm từng vùng, một số khác gây ảnh hưởng đến khả năng nhận biết màu sắc. Cũng có một số người thì rất khó khăn khi gặp ánh nắng chói chang và một số khác thì không thể nhìn thấy gì khi ánh sáng yếu…Mù hoàn toàn có thể là hệ quả của các loại bệnh thị lực ghi nhận ở trên, cũng như từ các nguyên nhân khác như: tai nạn, võng mạc bị tách ra ở cả hai mắt và các bệnh khác.
Khiếm thị có thể xuất hiện cùng với các bệnh như chậm phát triển tinh thần, rối loạn phổ tự kỷ, bại não, suy giảm thích giác, và động kinh. Trong một nghiên cứu 228 trẻ em bị suy giảm thị lực ở vùng đô thị Atlanta trong các năm 1991 và 1993, 154 (68%) trẻ đã có khuyết tật thêm ngoài suy giảm thị lực [20].
Ước tính có hơn phân nửa trong tổng số người mù bị rối loạn ngủ-thức khác 24 giờ, là tình trạng mà đồng hồ sinh học của một người kéo dài hơn 24 tiếng.
Thoái hoá hoàng điểm Đục thuỷ tinh thể
Hình 3.1: Một số hình ảnh minh hoạ về khả năng nhìn của người khiếm thị ứng với vài bệnh thị lực phổ biến [20]
3.2 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN KHIẾM THỊ. NGƯỜI KHIẾM THỊ CẦN GÌ? GÌ?
Theo ước tính của WHO, các nguyên nhân gây mù phổ biến nhất (không tính tật khúc xạ) trên toàn thế giới năm 2002 là [20]:
Đục thủy tinh thể (47,9%)
Thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi (8,7%)
Mờ giác mạc (5,1%)
Bệnh võng mạc tiểu đường (4,8%)
Mù từ nhỏ (3,9%)
Đau mắt hột (3,6%)
Onchocerciasis (0,8%) (hay mù lòa đường sông).
Những người mất thị lực một cách đột ngột, đặc biệt là nếu họ đang học tập, nghiên cứu và làm việc thì họ vẫn mong muốn được tiếp tục công việc của mình, muốn được học, đọc, nghiên cứu hoặc giải trí. Nên họ sẽ học ngôn ngữ riêng là Braille hay Moon, và dùng sách nói, các chương trình đọc web chuyên dụng. Về khả năng đi lại, theo một bài báo từ trang web của Anh đưa ra vài số liệu thống kê: 32% người lớn khiếm thị nói rằng họ bị giới hạn rất nhiều trong việc đi lại ngoài đường, 26% nói rằng họ bị giới han hoàn toàn khả năng đi lại ngoài đường, 48% tương đối tự tin khi đi lại một mình trong khu vực mà họ sinh sống. Rất ít người khiếm thị dùng phương tiện hỗ trợ đi lại: 22% người khiếm thị từ 16 tuổi trở lên dùng gậy và 1% dùng chó dẫn đường [20].
3.3 TÌNH HÌNH THỰC TẾ VỀ NGƯỜI KHIẾM THỊ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
Theo nguồn thông tin của Bách khoa toàn thư mở Wikipedia: “Thống kê trên thế giới vào năm 2002 cho thấy ước tính hiện nay có khoảng 161 triệu người mù lòa, trong đó có 124 triệu người khiếm thị và 37 triệu người mù, 90% trong số đó đang sống ở các nước đang phát triển (11,6 triệu người ở khu vực Đông Nam Á, 9,3 triệu người ở khu vực Tây Thái Bình Dương, 6,8 triệu người ở Châu Phi), 1,4 triệu trẻ em dưới 15 tuổi bị mù... Ngoài ra trên thế giới còn có hàng triệu người khác bị mù chức năng vì tật khúc xạ (cận thị, viễn thị, loạn thị), 80% người mù trên 50 tuổi [20]. Cứ 5 giây trôi qua lại có thêm một người bị mù và cứ một phút trôi qua lại có một đứa trẻ vĩnh viễn không nhìn thấy ánh sáng. Hàng năm cả thế giới phải tiêu tốn hơn 42 tỷ đôla Mỹ cho việc chữa trị các bệnh về mắt. Khoảng 75% trong số các bệnh gây mù có thể tránh được bằng các phương pháp điều trị hoặc phòng ngừa. Thống kê riêng ở Anh về tuổi khởi phát bệnh mù lòa cho thấy 31% người trả lời nói rằng bắt đầu mắc bệnh khi còn ở độ tuổi lao động (từ 17 đến 59 tuổi), nhưng 56% cho rằng bệnh khởi phát từ khi 60 tuổi trở về sau. Chỉ có 8% bắt đầu bị bệnh khi mới dưới 16 tuổi”.
Năm 2011 Tổ chức Y tế thế giới WHO đã công bố tỷ lệ người suy giảm thị lực trên thế giới khoảng 285 triệu người trong số đó có 246 triệu người có thị lực kém ở mức độ vừa phải đến mức độ nặng và 39 triệu người mù. 73% số người bị suy giảm thị lực ở mức độ trung bình và nặng và 58% số người mù lòa sống ở khu vực Đông Nam Á và Tây Thái Bình Dương. Trong tổng số 285 triệu người mù và khiếm thị này có đến 90% người sống ở các quốc gia nghèo nhất thế giới. Việt Nam được xếp vào trong nhóm các nước này [20].
Tại Việt Nam, chưa có một một công trình nghiên cứu điều tra nào có quy mô toàn quốc và toàn diện về người khiếm thị để có những số liệu chính xác, mang tính tổng thể về số lượng người khiếm thị, những dạng khiếm thị, độ tuổi, giới tính, nguyên nhân, tâm lý, nhu cầu thông tin/tài liệu/các dạng dịch vụ và sản phẩm thông tin mà những người khiếm thị quen sử dụng... Vì vậy, các con số sau chỉ mang tính thống kê, cục bộ. Theo kết quả điều tra vào năm 2002 của Viện mắt Trung ương có khoảng 900.000 người khiếm thị trong đó có khoảng hơn 600.000 người thuộc đối tượng mù chiếm 1,2% dân số cả nước [20].
Quyền được nhìn thấy!”. Lãnh đạo Bộ Y tế: Thứ trưởng Nguyễn Thị Xuyên đã công bố: Việt Nam hiện có khoảng 2 triệu người mù lòa, 1/3 trong số đó là người nghèo không có tiền điều trị mang lại ánh sáng; 83% người mù Việt Nam có thể phòng chữa được bệnh: đục tinh thể là nguyên nhân gây ra mù, chiếm tỷ lệ 66,1%, Tiếp theo là các bệnh như bán phần sau nhãn cầu, bệnh glôcôm, sẹo giác mạc, teo nhãn cầu, tật khúc xạ và mắt hột... Nếu tính cả những người bị các tật về mắt như cận, viễn... thì con số này còn lớn hơn rất nhiều...
Theo tính toán của các nhà chuyên môn khác dự báo nếu không có biện pháp hữu hiệu để phòng chống hiện tượng giảm thị lực đến năm 2020 cả thế giới số người khiếm thị sẽ tăng gấp đôi và Việt Nam có khoảng 04 triệu người khiếm thị. Đây sẽ là trở ngại lớn cho công cuộc pháp triển kinh tế - xã hội của nhân loại nói chung và công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong giai đoạn đổi mới đất nước ở Việt Nam nói riêng.
3.4 KẾT LUẬN
Chương 3 đưa ra nguyên nhân dẫn tới khiếm thị, ý nghĩa của thiết bị đối với người khiếm thị và tình hình thực tế về người khiếm thị trên thế giới Việt Nam.
CHƯƠNG 4: MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SRF05 VỚI VI ĐIỀU KHIỂN 89C51
4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CHO HỆ THỐNG
Hình 4.1: Sơ đồ khối cho hệ thống [18]
4.2 MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ
IC8051 tạo xung độ rộng 10µs để kích hoạt SRF05 phát sóng siêu âm. Lúc này 8051 tạo ngắt ngoài để đếm thời gian sóng phản xạ về (Khi sóng siêu âm phát đi, dòng phản hồi kéo lên mức 1; Khi sóng phản xạ về, dòng phản hồi kéo về mức 0) [18]. Timer chạy đến khi nào dòng phản hồi về mức 0 thì lưu lại giá trị. Từ đó ta biết được có vật cản trước mặt hay không (khoảng cách <2m). Ta có thể dùng 2 led.
Dùng sóng siêu âm kiểm tra vật cản trước mặt. Nếu có vật cản thiết bị sẽ làm sáng đèn led và hiển thị khoảng cách lên led 7 thanh.
– Khoảng cách < 50cm thì cả 2 led sáng.
– Khoảng cách < 100cm thì led 1 sáng.
– Khoảng cách < 200cm thì led 2 sáng.
Khi được áp dụng trong thực tế, đèn led được thay bằng còi hoặc động cơ rung để người khiếm thị có thể nhận biết.
4.3 VI ĐIỀU KHIỂN 89C51
Tổng quát về vi điều khiển 89C51 [18]:
-Có 40 chân với các chức năng như vào ra I/0, đọc/ghi (RD/WR), địa chỉ, dữ liệu và ngắt -4KB ROM
-128 byte RAM
-4 port xuất nhập (I/0 port) 8-bit -2 bộ định thời 16-bit
-Mạch giao tiếp nối tiếp
-Không gian nhớ chương trình (mã) ngoài 64k -Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64k
-Bộ xử lý bit
-210 vị trí nhớ được định địa chỉ,mỗi vị trí 1 bit -Nhân/chia trong 4µs
Hình 4.2: 8051 mô phỏng trong Proteus [18]
Hình trên trình bày cách bố trí chân của 8051.Trong số 40 chân có 32 chân dành cho bốn cổng P0,P1,P2 và P3,mỗi cổng có 8 chân. Các chân còn lại dành cho nguồn Vcc và đất GND, các chân dao động thạch anh XTAL1 và XTAL2, khởi động lại RST, cho phép chốt địa chỉ ALE, truy cập được địa chỉ ngoài EA,cho phép cất chương trình
PSEN .
+ Port 0: Port 0(các chân từ 32 đến 39 trên 8051)có 2 công dụng. Port 0 được sử dụng làm nhiệm vụ xuất/nhập.Trong các thiết kế lớn hơn có bộ nhớ ngoài,port 0 trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp
+ Port 1 chỉ có công dụng là xuất/nhập (các chân từ 1 đến 8 trên 8051). Các chân của port 1 được ký hiệu là P1.0,P1.1,….,P1.7 và được dung để giao tiếp với thiết bị bên ngoài khi có yêu cầu.
+ Port 2( các chân từ 21 đến 28 trên 8051) có 2 công dụng,hoặc làm nhiệm vụ xuất/nhập hoặc là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit cho các thiết kế có bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài.
+ Port 3(chân từ 10 đến 17 trên 8051) có 2 công dụng. Khi không hoạt động xuất/nhập,các chân của port 3 có nhiều chức năng riêng
XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 U1 80C51 C1 30nF X1 CRYSTAL C2 30nF 20 40 vcc
+ VCC –Chân số 40,cung cấp điện áp nguồn +5v + GND- Chân số 20 là chân đất.
+ XTAL1 và XTAL2: 8051 có một bộ dao động trên chip nhưng vẫn cần có một bộ đồng hồ bên ngoài để kích hoạt. Bộ dao động thạch anh ngoài thường được nối tới các chân vào XTAL1(chân 19) và XTAL2(chân 18). Khi mắc dao động thạch anh,phải có tụ điện 30pF. Một đầu mỗi tụ nối tới XTAL1 và XTAL2, còn đầu kia nối với đất như hình vẽ.
Hình 4.3: Nối đồng hồ thạch anh [18]
+ RST - Khởi động lại (RESET) đó là chân vào, số 9, mức tích cực cao, bình thường