cảm biến siêu âm
a) Mục đích
Tính toán khoảng cách, và xác định được cách thức hoạt động ở điều kiện lý tưởng của hệ thống
So sánh đối chiếu kết quả thu được với kết quả thực tế =>Từ đó rút ra ảnh hưởng từ điều kiện môi trường đến độ chính xác của hệ thống.
Tạo tiền đề lắp ráp mô hình thực tế. b) Thiết kế mạch mô phỏng.
Chọn linh kiện.
- cảm biến: truyền phát và thu nhận tín hiệu
Trên thế giới hiện nay có nhiều loại cảm biến siêu âm, mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau như cảm biến siêu âm vân tay s10 , cảm biến siêu âm srf05 ..., Trong phần này chúng ta cần xác định khoảng cách từ cảm biến đến vật thể nên ta sử dụng cảm biến siêu âm đo khoảng cách hc- sr04
Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 được sử dụng để nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng phát hiện vật cản, đo khoảng cách bằng sóng siêu âm.
cách bằng sóng siêu âm.
Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 sử dụng cặp chân Echo / Trigger để phát và nhận tín hiệu.
Hình 3.8: Cảm biến siêu âm HC-SR04.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động: 5VDC Dòng tiêu thụ: 10~40mA Tín hiệu giao tiếp: TTL
Chân tín hiệu: Echo, Trigger. Góc quét:<15 độ
Tần số phát sóng: 40Khz
Khoảng cách đo được: 2~450cm (khoảng cách xa nhất đạt được ở điều khiện lý tưởng với không gian trống và bề mặt vật thể bằng phẳng, trong điều kiện bình thường cảm biến cho kết quả chính xác nhất ở khoảng cách <100cm).
Sai số: 0.3cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật thể càng phẳng sai số càng nhỏ).
Kích thước: 43mm x 20mm x 17mm Chức năng của các chân:
VCC Cấp nguồn cho cảm biến (5V) hoặc 3.3V ở cảm biến 3V3
TRIGGER Chân phát sóng âm. Là chu kỳ của của điện cao /thấp diễn ra.
ECHO Trạng thái ban dầu là 0V, khi có tín hiệu trả về sẽ là 5V và sau đó trở về 0V
GND Nối cực âm của mạch
Cách thức hoạt động của cảm biến hc-sr04: Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig. Sau đó, cảm biến siêu âm sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại.
-vi điều khiển: nhận tín hiệu từ cảm biến âm thanh rồi đưa ra xử lý. Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài. Trong đó có 14 cổng I / O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan. Chúng được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems. Các ngôn ngữ lập trình như C và C ++ được sử dụng trong IDE.
Hình 3.9: Vi điều khiển arduino uno r3
Thông số kỹ thuật:
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng
USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào lý tưởng 7-12V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB
dùng bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Chức năng các chân:
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị
khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác
Vậy nên ta sẽ sử dụng Arduino Uno R3 để mô phỏng.
- Màn hình LCD : hiển thị khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.
Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch.
- Lấy linh kiện: simulino arduino uno, ultrasonic, lcd, biến trở, led. - kết nối các chân của các linh kiện lại với nhau như hình bên dưới:
Hình 3.10: kết nối chân linh kiện lại với nhau
Nguyên lý hoạt động của mạch hình 3.10:
- cảm biến siêu âm sẽ tạo ra một xung ở chân echo cho đến khi nó nhận lại được xung đã phát ở chân trigger trước đó.
- Từ đó tính toán được thời gian mà xung phản hồi lại
- vi điều khiển tính toán khoảng cách từ dữ liệu thời gian rồi hiển thị kết quả lên màn hình LCD
- khi nó phát hiện vật thể thì đèn Led sẽ sáng.