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 ở mức thấp. Khi có xung cao đặt tới chân này thì bộ vi điều khiển sẽ kết thúc mọi hoạt động hiện tại và tiến hành khởi động lại. Quá trình xảy ra hoàn toàn tương tự như khi bật nguồn. Khi reset, mọi giá trị trên sẽ bị xóa.
+ Chân truy xuất ngoài EA: Ngõ vào này(chân 31) có thể được nối với 5V (logic1) hoặc với GND (logic0). Nếu chân này nối lên 5V, 8051 thực thi chương trình ROM nội. Nếu chân này nối với GND, chương trình cần thực thi chứa ở bộ nhớ ngoài. Nếu chân
EA ở logic 0 đối với 8051, ROM nội bên trong chip được vô hiệu hóa và chương trình cần thực thi ở EPROM ngoài [18].
+ Chân cho phép chốt địa chỉ ALE: sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE(address latch enable) để giải đa hợp (demultiplexing) bus dữ liệu và bus địa chỉ. Khi port 0 được sử dụng làm bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp, chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của địa chỉ 16-bit) vào một thanh ghi ngoài trong suốt 12 đầu chu kỳ bộ nhớ. Sau khi điều này đã thực hiện, các chân của port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu hợp hệ trong suốt
2
1 thứ hai của chu kỳ bộ nhớ. -Tín hiệu ALE có tần số bằng
6
1 tần số của mạch dao động bên trong chip VĐK và có thể được làm xung clock cho phần còn lại của hệ thống.
+ Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN chân 29.Đây là tín hiệu điều khiển cho phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài.Chân này thường nối với chân cho phép xuất OE để đọc các lênh.
- Tín hiệu PSEN ở logic 0 trong suốt thời gian tìm-nạp lênh.Các mã nhị phân của chương trình hay opcode được đọc từ EP-ROM,qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của 8051 để được giải mã.
-Khi thực thi một chương trình chứa ở ROM nội. PSEN được duy trì ở logic không tích cực (logic 1). C1 30nF X1 CRYSTAL C2 30nF XTAL2 XTAL1
4.4 MẠCH TẠO NGUỒN 5V CUNG CẤP CHO VĐK
Nguồn điện cho thiết bị được cấp từ pin 9V. Sử dụng IC7805 biến đổi thành 5V phù hợp với thông số kỹ thuật của các linh kiện trong mạch.
Hình 4.4: Sử dụng 7805 biến đổi nguồn pin 9V thành nguồn 5V [18]
Thông số kỹ thuật IC ổn áp:
78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V.
Tùy loại IC 78 mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu. + 78xx gồm có 3 chân [7] :
1 : Vin - Chân nguồn đầu vào 2 : GND - Chân nối đất 3 : Vo - chân nguồn đầu ra.
Hình4.5: IC ổn áp 7805 [11]
+Dòng cực đại có thể duy trì 1A. +Dòng đỉnh 2.2A.
+Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W. +Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W
4.5 LED ĐƠN
Diode phát sáng (LED) là một chất bán dẫn nguồn ánh sáng. Đèn LED được sử dụng như là các đèn báo hiệu trong nhiều thiết bị và đang ngày càng được sử dụng cho chiếu sáng khác . Xuất hiện như là phần thực hành điện tử vào năm 1962, đầu đèn LED phát ra ánh sáng màu đỏ cường độ thấp, nhưng phiên bản hiện đại có sẵn trên có thể nhìn thấy , tia cực tím , và hồng ngoại bước sóng , với độ sáng rất cao.Với các ưu điểm: ánh sáng lớn, độ bền cao và ít tiêu tốn điện năng; đèn Led được ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời, đồng hồ cỡ lớn đặt tại các biển quảng cáo, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảng chạy chữ điện tử,
bảng hệ thống giờ, bảng tỷ giá, bảng chứng khoán, hệ thống xếp hàng tự động… Việc sử dụng rộng rãi thiết bị chiếu sáng bằng loại đèn này có thể giúp chúng ta tiết kiệm đuợc nhiều năng lượng [12].
Hình 4.6: Một số loại đèn LED thông dụng [12]
Tính toán thông số:
- Nguồn nuôi led: 5V, 9V, 12V.
- Dòng điện cho led sáng đẹp: 15mA – 20mA
Trong thiết bị, nguồn cung cấp cho led là 5V, vậy giá trị điện trở dùng:
] 333 ; 250 [ ] 15 5 ; 20 5 [ mA V mA V R Chọn điện trở có R=330Ω
4.6 LED 7 THANH 3 CHỮ SỐ CHUNG ANOD
Nhiệm vụ của led 7 thanh 3 chữ số là hiển thị khoảng cách theo centimet nhằm kiểm tra tính chính xác của thiết bị. Các thông số kỹ thuật cơ bản tương tự led đơn, tuy nhiên, khi sử dụng led 7 thanh 3 chữ số ta cần chú ý đến vị trí chân [10].
Hình 4.7: Cấu tạo và sơ đồ chân led 7 thanh 3 chữ số [10]
4.7 TRANZITOR NPN C1815
TRANZITO NPN được kích hoạt (mở) khi có điện áp dương tác động vào cực B. Khi đó dòng điện đi từ cực C đến cực E. Loại này thì điện áp đến cực B tỉ lệ thuận với dòng điện ra (áp B tăng thì dòng C-E tăng). Nó được ví như van thường đóng, khi chưa có áp ở cực B thì nó đóng hoàn toàn. Khi có áp nó sẽ mở và dòng C-E tăng dần tỉ lệ theo áp cực B đến mức bão hòa thì không tăng nữa [18].
Như vậy, tranzitor sẽ đóng vai trò là một khóa thường đóng nằm giữa nguồn nuôi 5V (cực C) và đầu ra (cực E), cực B được điều khiển bởi vi xử lý. Khi vi xử lý tính toán được khoảng cách, dựa theo yêu cầu thiết bị, nó sẽ điều khiển cực B mở khóa cấp nguồn cho các đầu ra tương ứng.
Bảng thông số kỹ thuật tối đa: (T=250C) [18]
Đánh giá: Tranzitor NPN C1815 phù hợp sử dụng với các linh kiện trong thiết bị. Nguồn vào 5V, điện trở 330Ω.
4.8 MODULE ĐO KHOẢNG CÁCH SRF05 4.8.1 Giới thiệu 4.8.1 Giới thiệu
+ SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04. Khoảng cách được tăng từ 3 mét đến 4 mét.
+ SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm giá trị trên chân điều khiển. Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04. SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh.
Hình 4.7: Modul SRF05 [18]
4.8.2: Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 :
+ Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại. Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng. Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao [2].
Hình 4.9: Phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 [2]
+ Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05:
Hình 4.10: Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản xạ của nó [2]
Một đối tượng mềm có thể cho ra tín hiệu phản hồi yếu hoặc không có phản hồi. Một đối tượng ở một góc cân đối thì mới có thể chuyển thành tín hiệu phản chiếu một chiều cho cảm biến nhận.
+ Vùng phát hiện của cảm biến SRF05
- Nếu ngưỡng để phát hiện đối tượng được đặt quá gần với cảm biến, các đối tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù. Nếu ngưỡng này được đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì các đối tượng sẽ được phát hiện mà không phải là trên một đường va chạm [2].
- Các vùng phát hiện của SRF05 nằm trong khoảng 1 mét chiều rộng từ bên này sang bên kia và không quá 4 mét chiều dài.
- Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước. Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau.
Hình 4.12: Các vùng hoạt động của 2 cảm biến SRF05 [2]
Các vùng hoạt động của 2 cảm biến SRF05 tạo góc chung 30o. Vùng chung thì đươc phân biệt bởi 2 phần tín hiệu trái phải và phần cản ở giữa.
4.8.3 Bảng thông số kỹ thuật
Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm SRF05 [2]
4.8.4 Miêu tả chân theo chế độ hoạt động
SRF05 được phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, và giảm bớt chi phí. SRF05 hoàn toàn tương thích với SRF04. Khoảng cách đo được tăng từ 3 mét lên đến 4 mét.
Mode 1 - SRF04 compatible - Separate Trigger and Echo
Ở chế độ này SRF05 sử dụng 2 chân để kích hoạt và phản hồi tương tự như SRF04. Do đó, tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 làm việc được với SRF05. Để sử dụng chế độ này ta không nối chân Mode – SRF05 có một điện trở trong ở chân này.
Nguyên lí: Để cảm biến SRF05 có thể hoạt động ta kích hoạt 1 xung 10μs ở chân trigger. Khi đó, SRF05 sẽ phát ra liên tục 8 chu kì sóng siêu âm ở tần số 40Khz, đồng thời kéo chân Echo lên mức cao. SRF05 sẽ chờ sóng phản xạ về, khi nhận được sóng phản xạ, chân Echo sẽ được kéo về mức thấp. Nếu không nhận được sóng phản xạ về, thì sau 30ms chân Echo sẽ tự động được kéo về mức thấp [15].
Hình 4.12: SRF05 hoạt động ở mode 1 [15]
Mode 2 - Single pin for both Trigger and Echo
Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt lẫn phản hồi, được thiết kế để tiết kiệm chân cho mục đích điều khiển nhúng [15]. Để sử dụng chế độ này, nối chân Mode với chân 0V Ground. Tín hiệu phản hồi sẽ xuất hiện cùng một chân với tín hiệu kích hoạt. SRF05 sẽ không kéo dòng phản hồi lên mức cao cho đến 700uS sau khi kết thúc tín hiệu kích hoạt.
+Các thiết lập khác của chân 5
Chân 5 được đóng nhãn là "programming pins" được sử dụng một lần duy nhất trong quá trình sản xuất để lập trình cho bộ nhớ Flash trên chip PIC16F630 [15]. Các chương trình của PIC16F630 pins cũng được sử dụng cho các chức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn rằng không kết nối bất cứ cái gì với các chân này, nếu không sẽ làm gián đoạn hoạt động mô-đun.
+Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm
Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05 được biểu diễn bên dưới:
Hình 4.14: Chùm tia SRF05 [15]
Trên thực tế không có cách đơn giản nào để giảm hoặc thay đổi độ rộng chùm tia phát ra bởi SRF05.
+Áp dụng tính toán khoảng cách
Trong nội dung luận văn, SRF05 được sử dụng ở mode 1.
Vi xử lý 8051 cung cấp xung rộng tối thiểu 10us để kích hoạt dò khoảng cách. SRF05 sẽ phát ra 8 chu kì sóng siêu âm tần số 40kHz và kéo xung phản hồi (echo line) lên mức cao. Sau đó, nó đợi tín hiệu phản hồi về, nếu xác định được tín hiệu, SRF05 kéo xung phản hồi về mức thấp . Như vậy, độ rộng của xung phản hồi tỉ lệ với khoảng cách đến vật cản. Bằng cách đo độ rộng xung ta có thể tính được khoảng cách. Nếu không xác định được vật cản trước mặt, SRF05 sẽ tự động kéo xung phản hồi về mức thấp sau