Đồ án hệ thống nhúng kỹ thuật điều khiển và tự động hóa ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ HIỂN THỊ RA LCD

ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ HIỂN THỊ RA LCD TÓM TẮT Đo khoảng cách sử dụng pic16f877A và cảm biến siêu âm để đo thời gian từ khi phát xung ra từ chân trigger đến vật cản và ngược trở về chân echo từ đó tính được khoảng cách đến vật cản và hiển thị giá trị đo được lên LCD 16x2.

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

………

ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN

SIÊU ÂM VÀ HIỂN THỊ RA LCD

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

………

ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN

SIÊU ÂM VÀ HIỂN THỊ RA LCD

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy ……… đã hỗ trợ và hướng dẫn em thựchiện đồ án hệ thống nhúng Trong suốt quá trình thực hiện đồ án em đã nhận được sựquan tâm và chỉ dạy rất nhiệt tình từ thầy Qua đó em cũng được trau dồi và học hỏithêm được nhiều điều bổ ích Từ đó, bản thân em đã có thêm thật nhiều kỹ năng vàkiến thức giúp ích cho công việc sau này của mình Một lần nữa em xin cảm ơn đếnthầy Trần Đức Anh Minh đã hướng dẫn em trong thời gian vừa qua và xin kính chúcthầy thật nhiều sức khỏe và luôn thành công trên con đường giảng dạy của mình!

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Tác giả

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Tôn Đức Thắng

……… ………

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướngdẫn khoa học của ………… Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trungthực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong cácbảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từcác nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong Đồ án tốt nghiệp/ tổng hợp còn sử dụng một số nhận xét, đánhgiá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chúthích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung Đồ án tốt nghiệp/ tổng hợp của mình Trường Đại học Tôn Đức Thắng

không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trìnhthực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ HIỂN

THỊ RA LCD TÓM TẮT

Đo khoảng cách sử dụng pic16f877A và cảm biến siêu âm để đo thời gian từ khiphát xung ra từ chân trigger đến vật cản và ngược trở về chân echo từ đó tính đượckhoảng cách đến vật cản và hiển thị giá trị đo được lên LCD 16x2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 DANH MỤC HÌNH VẼ 8

CHƯƠNG 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10

3.1 Tổng quan về thiết bị đo khoảng cách hiện nay 10

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 14

4.1 Sơ đồ khối của hệ thống 14

4.1.1 Khối HC-SR04 14

4.1.2 Khối điều khiển 19

4.1.3 Khối LCD 34

4.1.4 Khối nguồn 37

CHƯƠNG 5 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 39

5.1 Hoạt động của hệ thống 39

5.2 Giải thuật điều khiển: 42

CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM 43

6.1 Viết chương trên Pic C Compiler: 43

6.2 Mô phỏng trên Proteus 45

6.3 Kết nối phần cứng trên testboard: 46

CHƯƠNG 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

CHƯƠNG 8 PHỤ LỤC 48

CHƯƠNG 1 DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 8

Hình 1-2 11

Hình 2-1 13

Hình 2-2 14

Hình 2-3 15

Hình 2-4 18

Hình 2-5 19

Hình 2-6 21

Hình 2-7 28

Hình 2-8 29

Hình 2-9 30

Hình 2-10 31

Hình 2-11 33

Hình 2-12 36

Hình 3-1 38

Hình 3-2 40

Hình 4-1 41

Hình 4-2 42

Hình 4-3 43

Hình 4-4 44

Hình 4-5 45

CHƯƠNG 2 DANH MỤC BẢNG BIỂUBảng 2-1 27Bảng 2-2 35

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI3.1 Tổng quan về thiết bị đo khoảng cách hiện nay

Các thiết bị đo khoảng cách đã không còn xa lạ với người dùng hiện nay Đây là mộttrong những thiết bị đo lường chuyên dụng được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau,đặc biệt là trong công nghiệp, xây dựng

Hình 1-1

Cảm biến khoảng cách là gì?

Cảm biến khoảng cách hay còn được gọi với tên cảm biến li độ, là thiết bị điện tử giúpxác định khoảng cách từ vị trí của điểm xét đến vật thể Ngoài ra, loại cảm biến nàycòn được sử dụng để xác định mức hóa chất trong các loại bình chứa và các ứng dụngkhác trong lĩnh vực công nghiệp, sản xuất

Phân loại các loại cảm biến khoảng cách

Cảm biến tiệm cận đo khoảng cách

Loại cảm biến laser đo khoảng cách

Cảm biến dùng hệ thống sóng siêu âm

Cảm biến từ đo khoảng cách

Nguyên lý hoạt động của từng loại cảm biến khoảng cách

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận biến đổi các tín hiệu chuyển động hoặc lặp lại thành tín hiệu điện,

đo khoảng cách bằng cách tạo một từ trường phía trước cảm biến Loại cảm biến nàycho hiệu quả đo chính xác cao, tuy nhiên chỉ phát hiện vật với khoảng cách rất ngắn,tính bằng đơn vị milimet

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phát ra chùm sóng siêu âm đếnvật phản xạ về cảm biến Đây cũng là thiết bị hoạt động cho kết quả có độ chính xác rấtcao Với rất nhiều ứng dụng, cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp

Nguyên lý hoạt động của cảm biến Encoder

Cảm biến Encoder hoạt động trên nguyên lý đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh

để tín hiệu quang chiếu qua đĩa, giúp xử lý các chuyển động và chuyển thành các tínhiệu điện Tuy không được sử dụng phổ biến như các loại cảm biến đo khoảng cáchkhác vì giá thành và ứng dụng không được rộng rãi, nhưng cảm biến Encoder lại thíchhợp cho 1 số ứng dụng đặc thù trong ngành công nghiệp nặng

Tín hiệu ngõ ra của cảm biến khoảng cách

Các loại cảm biến đo khoảng cách thường có tín hiệu ngõ ra dạng analog dùng loạidòng điện 4-20ma, 0-20ma hay tín hiệu điện áp 0-5V, 0-10V (tín hiệu liên tục có đồ thịbiểu diễn là một đường liên tục như đường hình sin, cos hoặc đường cong lên xuốngbất kỳ), NPN hoặc PNP (dạng tín hiệu kích âm,nghĩa là không có tác động thì ngõ ra ởmức 1 bằng nguồn, còn có tác động thì ngõ ra ở mức 0 V, rơle…

Trong đó tín hiệu ngõ ra dạng analog 4-20mA là phổ biến nhất do tín hiệu ít nhiễu hơn,truyền đi được xa hơn khi sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu, khuếch đại tín hiệu.Tùy theonhu cầu điều khiển giám sát mà người dùng có thể lựa chọn loại ngõ ra cho phù hợp.Ứng dụng của cảm biến khoảng cách là gì?

Đo khoảng cách:

Ứng dụng đầu tiên chính là sử dụng để đo khoảng cách trong các hệ thống công nghiệpsản xuất, kho bãi, hàng hải Ví dụ trong quá trình lắp ghép tàu, cảm biến đo khoảngcách từ mép bến cho tàu đến và đảm bảo rằng các mục tiêu được thông báo về khoảngcách hiện tại giữa tàu và các bến tàu đổ bộ ở tất cả các lần đo

Thông tin vị trí các hệ thống di chuyển:

Trong các hệ thống di chuyển kho bãi như cần cẩu giàn, cảm biến khoảng cách rất quantrọng để có thông tin về vị trí hiện tại của cần cẩu, tránh trường hợp xảy ra va chạm.Cảm biến được lựa chọn là loại cảm biến vật cản laser, sử dụng với sự hỗ trợ củagương phản xạ

Đo mực hóa chất:

Cảm biến khoảng cách được ứng dụng nhiều trong việc xác định mức chất lỏng trongcác bình chứa, hay lượng chất rắn như xi măng lưu trữ trong các bồn Thiết bị đokhoảng cách được dùng để cung cấp cho các nhà điều hành cần cẩu với thông tin chínhxác về số lượng xi măng mỗi chiếc tháp hoặc bồn

Hình 1-2

Phát hiện vị trí các bộ phận, chi tiết máy:

Sử dụng cảm biến khoảng cách tiệm cận giúp phát hiện các vật thể bằng kim loại, chitiết máy với khoảng cách đo từ vài mm cho tới vài chục mm Cảm biến còn được sửdụng để xác định xem các bộ phận trong dây chuyền di chuyển bằng cần cẩu có vàođúng vị trí hay không?

Định vị container:

Trong ngành hàng hải, khi bốc xếp container trên tàu, cầu, cảng và các phương tiện vậnchuyển cần phải biết vị trí chính xác của các container liên quan đến cần cẩu Cảm biếnkhoảng cách sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc xác định vị trí và giám sát các container

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG4.1 Sơ đồ khối của hệ thống

4.1.1 Khối HC-SR04

Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04, là một dạng cảm biến module Cảm biến nàythường chỉ là một bản mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm bởi 2chiếc loa cao tần

Cảm biến siêu âm HC-SR04 thường được kết hợp với các bộ arduino, PIC, AVR,… đểchạy một số ứng dụng như : phát hiện vật cản trên xe robot, đo khoảng cách vật,…

Hình 2-3

Chính vì là một cảm biến siêu âm dạng module, cho nên hầu như ứng dụng hay độchính xác của cảm biến đều phụ thuộc vào phần code mà người sử dụng lập trình vànạp vào bản mạch điều khiển

Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần:

Bộ phận phát sóng siêu âm

Cấu tạo của các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm đặc biệt, phát siêu âm cócường độ cao ở tần số thường là 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách

Hình 2-4

Cảm biến siêu âm sử dụng các xung của âm thanh siêu âm (âm thanh trên phạm vithính giác của con người) để phát hiện khoảng cách giữa chúng và vật thể rắn lân cận.Các cảm biến này bao gồm hai thành phần chính:

Một bộ phát sóng siêu âm – Khối này truyền các xung âm thanh siêu âm, nó hoạt động

ở tần 40 KHz

Một bộ thu sóng siêu âm phản xạ về – Khối thu lắng nghe các xung được truyền về.Nếu nó nhận được các xung này nó tạo ra một xung đầu ra mà độ rộng của nó có thểđược sử dụng để xác định khoảng cách

Thiết bị hoạt động như sau:

Một xung ở mức cao (5V) trong thời gian ít nhất 10 μs (10 micro giây) được đưa vàochân Trigger

HC-SR04 đáp ứng bằng cách truyền một chùm tám xung với tần số 40 KHz Mẫu 8xung này làm “chữ ký siêu âm” từ thiết bị duy nhất này, cho phép bộ thu phân biệt giữamẫu được truyền và tạp âm siêu âm

Tám xung siêu âm di chuyển qua không khí cách xa bộ phát Trong khi đó, chân Echolên mức cao để bắt đầu hình thành sự khởi đầu của tín hiệu dội ngược

Nếu xung này KHÔNG phản xạ về thì tín hiệu Echo sẽ hết thời gian chờ sau 38 ms (38mili giây) và trở về mức thấp Việc tạo ra xung 38 ms cho biết không có chướng ngạivật nào trong phạm vi của cảm biến.

Nếu xung được phản xạ trở lại, chân Echo sẽ xuống thấp khi nhận được tín hiệu Điềunày tạo ra một xung có độ rộng thay đổi từ 150 μs đến 25 ms, tùy thuộc vào thời giannhận tín hiệu

Chiều rộng của xung nhận được được sử dụng để tính toán khoảng cách đến đối tượngđược phản xạ Hãy nhớ rằng xung cho biết thời gian cần để tín hiệu được gửi đi vàphản xạ lại để có khoảng cách bạn sẽ cần phải chia kết quả của mình thành một nửa.Khoảng cách = (Thời gian x Vận tốc âm thanh trong không khí (340 m / s)) / 2

Hình 2-5

Ví dụ đo mức chất lỏng có trong bồn chứa bằng cảm biến siêu âm HC-SR04:

Ta sẽ có các bước như sau:

Đặt chân TRIG lên mức Cao (5V) trong 10 μs (microseconds)

Sau đó module siêu âm ghi lại thời gian và gửi ra sóng âm tần số 40Khz

Sóng siêu âm truyền xuống bề mặt chất lỏng trong bồn chứa và phản xạ lại

Sóng phản xạ truyền ngược về đầu dò

Module siêu âm nhận được sóng phản xạ và đánh dấu thời gian nhận được tín hiệu nàyCuối cùng, module siêu âm đưa chân ECHO lên mức cao trong khoảng thời gian(microseconds ) phản hồi sóng âm (Gửi đi – nhận về) và tính toán ra khoảng cách.Kết quả trên chân ECHO: 58 μs/cm

Vì vậy, nếu chân ECHO lên mức cao trong thời gian 5800 μs (5.8 ms) , thì chúng tatính được khoảng cách giữa cảm biến và mức chất lỏng trong bể là:

5800μs / 58μs/cm = 100cm = 1m

Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SR04

Trước khi đi vào tìm hiểu các phần tiếp theo của dòng cảm biến này, chúng ta cùngđiểm qua một vài thông số kỹ thuật nổi bật của cảm biến siêu âm HC-SR04 như sau:

Tín hiệu đầu ra: Xung mức cao 5V, mức thấp 0V

Góc cảm biến: Không quá 15 độ

Độ chính xác cao: Lên đến 3mm

4.1.2 Khối điều khiển

Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, nhận tín hiệu từ khối HC-SR04 đưa về từ đó tínhtoán khoảng cách đến vật cản và hiển thị trên LCD

Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877A:

PIC (Programmable Intelligent Computer) nghĩa là “Máy tính thông minh khả trình”xuất phát từ vi điều khiển PIC đầu tiên PIC1650, do hãng General Instrument đặt tên.Sau đó hãng Microchip tiếp tục phát triển loại PIC này và cho ra đời gần 100 loại PICđến nay

Hình 2-6

Ngày nay, rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tíchhợp sẵn như UART, PWM, ADC, … với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32kword

Các dòng PIC hiện nay:

Dòng PIC 12Cxx có độ dài lệnh 12bit (Basic-line).

Dòng PIC 10F, 12F, 16F có độ dài lệnh 14bit (Mid-range)

Dòng PIC 18F có độ dài lệnh 16bit (High-End)

Dòng dsPIC là dòng PIC mới hiện nay

Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A:

Hình 2-7

8K x 14 bits/word Flash ROM

368 x 8 Bytes RAM

256 x 8 Bytes EEPROM

5 Port xuất/nhập (A, B, C, D, E) tương ứng 33 chân ra

2 Bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2

1 Bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEPMODE) với nguồn xung clock ngoài

2 Bộ Capture/ Compare/ PWM (Bắt giữ/ So sánh/ Điều biến xung)

1 Bộ biến đổi Analog to Digital 10 bit, 8 ngõ vào.

2 Bộ so sánh tương tự (Comparator)

1 Bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

1 Cổng giao tiếp song song 8 bit

1 Port nối tiếp

15 Nguồn ngắt (Interrupt)

Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)

Nạp trương trình bằng cổng nối tiếp ( ICSP™ )(In-Circuit Serial Programming™ -)Tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit

Tần số hoạt động tối đa 20 MHz

Sơ đồ và chức năng các chân PIC16F877A:

2 RA0/AN0 – RA0 : xuất/nhập số

– AN0 : ngõ vào tương tự

3 RA1/AN1 – RA1 : xuất/nhập số

– AN1 : ngõ vào tương tự

4 RA2/AN2/VREF-/CVREF – RA2 : xuất/nhập số

– AN2 : ngõ vào tương tự– VREF -: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộA/D

5 RA3/AN3/VREF+ – RA3 : xuất/nhập số

– AN3 : ngõ vào tương tự– VREF+ : ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộA/D

6 RA4/TOCKI/C1OUT – RA4 : xuất/nhập số

– TOCKI : ngõ vào xung clock bên ngoài cho timer0

– C1 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 1

7 RA5/AN4//SS /C2OUT – RA5 : xuất/nhập số

– AN4 : ngõ vào tương tự 4– SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ– C2 OUT : ngõ ra bộ so sánh 2

8 RE0//RD/AN5 – RE0 : xuất nhập số

– RD : điều khiển việc đọc ở port nhánh song song

– AN5 : ngõ vào tương tự

– WR : điều khiển việc ghi ở port nhánh song song

– AN6 : ngõ vào tương tự

10 RE2//CS/AN7 – RE2 : xuất/nhập số

– CS : Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song song

– AN7 : ngõ vào tương tự

11 VDD Chân nguồn của PIC

– CLKI : ngõ vào nguồn xung bên ngoài Luônđược kết hợp với chức năng OSC1

OSC2/CLKO Ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock

– OSC2 : Ngõ ra dao động thạch anh Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng hưởng

– CLKO : ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng tần số của OSC1 và chỉ ra tốc độ của chu

kỳ lệnh

15 RC0/T1 OCO/T1CKI – RC0 : xuất/nhập số

– T1OCO : ngõ vào bộ dao động Timer 1– T1CKI : ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1

– PSP0 : dữ liệu port nhánh song song

26 RC7/RX/DT – RC7 : xuất/nhập số

– RX : nhận bất đồng USART– DT : dữ liệu đồng bộ USART

27 RD4/PSP – RD4: xuất/nhập số

– PSP4 : dữ liệu port nhánh song song

Giới thiệu về Kit nạp:

PICKIT2 Programmer/Debugger: một mạch nạp PIC , sử dụng tốt với hầu hết các loại

vi điều khiển PIC, dsPIC thông qua giao tiếp USB

Hỗ trợ Debug với MPLAB

Chức năng UART tools

Chức năng Logic Analyzer

Tự động dò tìm mạch nạp và chíp

Kiểm tra lỗi sau khi nạp, hỗ trợ khóa chíp

2 Sử dụng phần mềm PICkit2 v2.61 đề nạp chương trình

a Cài đặt phần mềm:

- Vào trang web M download PICKit2 v2.61.00

- Giải nén và chạy chương trình

- Khi đã cài đặt xong, icon chương trình như sau Sau khi cài đặt (install), chạychương trình PICkit2 programmer bằng cách chọn Start -> Programs -> Microchip ->Program Files -> PICkit 2.

Hoặc double click biểu tượng PICKit 2 trên desktop

b Kết nối phần cứng

- Cắm đầu USB của PICKit 2 vào PC

- Kết nối PICkit 2 với board mạch đích qua một dây 5-pin (ICSP)