đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện. ứng dụng đo khoảng cách không phản xạ

ỨNG DỤNG ĐO KHOẢNG CÁCH KHÔNG PHẢN XẠ Đặt vấn đề: Các cảm biến đo khoảng cách được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm thamchiếu tới một đối tượng.. Rất nhiều công nghệ khác nhau đã đư

MỤC LỤC

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA HAI SỰ KIỆN ỨNG DỤNG

ĐO KHOẢNG CÁCH KHÔNG PHẢN XẠ

Đặt vấn đề:

Các cảm biến đo khoảng cách được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm thamchiếu tới một đối tượng Rất nhiều công nghệ khác nhau đã được ứng dụng để phát triểncác loại cảm biến này, tiêu biểu là ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng, và siêuâm….Cảm biến đo khoảng cách có thể phân thành 2 loại: Tiếp xúc và không tiếp xúc

Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc

Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc là loại cảm biến đo khoảng cách thực từđiểm tham chiếu tới một đối tượng không thông qua tiếp xúc vật lý Có ít nhất bảy kỹthuật đo khác nhau đươc áp dụng trên các cảm biến này:

 Đo tam giác

 Thời gian truyền

đo dịch pha, hoặc điều biến tần số Sonar thường sử dụng kỹ thuật thời gian truyền do tốc

độ âm thanh đủ chậm để đo bằng các thiết bị điện tử có giá thành thấp Lidar thường dựatrên cơ sở kĩ thuật laser sử dụng phép đo thời gian truyền hoặcđo dịch pha

Với các loại cảm biến tích cực (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộc khôngchỉ vào mức năng lượng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của đối tượng:

 Diện tích tiết diện ngang - xác định lượng năng lượng phát ra tác động vào đốitượng.

 Hệ số phản xạ- xác định lượng năng lượng truyền tới được phản xạ sovới lượng năng lượng bị hấp thụ hoặcxuyên qua

 Độ tập trung - xác định khả năng phân bố lại của năng lượng phản xạ

Rất nhiều cảm biến không tiếp xúc hoạt động dựa trên vật lý học truyền sóng Sóngđược phát ra tại một điểm tham chiếu,khoảng cách được xác định bằng cách đo thờigian truyền từ điểm tham chiếu tới vật hoặc độ suy giảm của cường độ khi sóngtruyền tới vật và quay trở lại điểm tham chiếu Thời gian truyền sóng được đo bằngphương pháp thời gian truyền hoặcđiều biến tần số

Trong đề tài “ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA HAI SỰ KIỆN ỨNG DỤNG

ĐO KHOẢNG CÁCH KHÔNG PHẢN XẠ” chúng em giới thiệu một phương pháp đokhoảng cách không tiếp xúc trong không gian (tức là đầu phát cũng chính là đối tượngvật lý) thông qua việc đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Bài làm không tránh khỏi saisót, mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ thầy, cô và bạn bè

I Tính năng của sản phẩm

 Đo khoảng cách trong không gian không cần phản xạ

 Đo khoảng cách từ 20-80cm

 Bộ phát tín hiệu có thể di chuyển được, bộ thu tín hiệu cố định

II Sơ đồ nguyên lý chung

Mạch sử dụng một mạch phát xung đồng bộ (phát một chum xung vuông) để đưa đồngthời xung kích vào hai bộ phát tín hiệu hồng ngoại và siêu âm Tín hiệu đầu ra của hai bộthu được đưa vào 2 chân của VĐK, tín hiệu thu của sóng hồng ngoại đưa vào port 1.0 vàtín hiệu thu của sóng siêu âm đưa vào port 1.1 Do vận tốc sóng hồng ngoại

III Mạch phần cứng và phần mềm

3.1 Mạch phần cứng

3 1.1 Khối nguồn

qua LM 7805 ta được điện áp + 5Vdc

làm nguồn nuôi chocác vi mạch

3.1.2 Khối phát xung đồng bộ

 Phát xung đồng bộ: Phát đồng bộ một chùm xung có độ rộng 1s(trong 1s chùmxung có tần số 40KHz) để kích thích cho các thiết bị phát hồng ngoại và siêu âmphát tín hiệu NE555 là vi mạch tạo xung tương đối chính xác và thông dụng đápứng được sử dụng và làm việc ở chế độ phát xung đơn

 Phát và thu tín hiệu: Ta dùng LED phát-opto thu hồng ngoại và cặp phát-thu siêu

âm để phát và nhận các tín hiệu

3.1.3 Khối thu

Tín hiệu các sóng thu khi qua các cảm biến thu thường rất nhỏ nên ta sẽ sử dụng cácOPAM để khuếch đại các tín hiệu lên, sau đó dùng mạch so sách để thu được các xungcần thiết đưa vào VĐK OPAMP ở đây ta sử dụng LM324

3.1.4 Giao tiếp với VĐK

Do đó, VĐK 8051 là phù hợp để đo khoảng thời gian s

t

này

3.1.5 Hiển thị khoảng cách qua LCD

Ta sử dụng LCD để hiện thị kết quả tính toán của VĐK

3.2 Thiết kế phần mềm

 Các trạng thái: Chờ, Đếm, Tính toán và hiển thi

 Các biến cần dung:

- P1.0 Tín hiệu vào hồng ngoại

- P1.1 Tín hiệu vào siêu âm

 Sơ đồ mô tả trạng thái của hệ thống:

IV Thiết kế từng khối

4.1 Khối nguồn

Sơ đồ mạch:

Tính toán, lựa chọn linh kiện:

 1 cầu đấu (cắm nguồn 220VAC)

Mạch điện gồm: Hạ áp, chỉnh lưu, lọc, biến đổi (78xx) Nguồn điện xoay chiều220VAC-50Hz qua biến áp là hạ áp xuống còn 12VAC và được qua bộ chỉnh lưu nhằmbiến đổi xoay chiều thành một chiều.Thành phần một chiều này có độ gợn nên phải qua

bộ lọc C để san phảng điện áp gợn đó cho ra điện áp 1 chiều.Sau đó điện áp một chiềunày qua bộ ổn áp 78xx cho ra điện áp ổn áp mà mình cần

Hạ áp:Ở đây chúng ta biến đổi điện áp lưới 220Vac-50Hz xuống còn 12Vac Mục

đích là cấp đầy vào cho bộ biến đổi và bộ lọc để có điện áp một chiều mong muốn

Chỉnh lưu:Thành phần chỉnh lưu là biến đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu một

chiều thông qua 4 con diode chỉnh lưu Đây là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với dạng sóngđầu vào và đầu ra sau chỉnh lưu như sau:

 Điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu :

12 2 17( )

 Điện áp sụt áp trên cầu là :

Dạng điện áp sau chỉnh lưu nó vẫn còn các sóng nhấp nhô và dạng điện áp này vẫnđược coi là điện áp 1 chiều nhưng chưa ổn định, nên cần phải qua một bộ lọc

Thành phần lọc

Mạch này dùng lọc C cho đơn giản (ngoài ra có thể dùng lọc RC, RLC)

 Tụ hóa C1 và C2 lọc các thành phần điện áp nhấp nhô sau chỉnh lưu cho nó bằngphẳng

 Tụ thường C1 và C2 lọc các thành phần cao tần

Dạng điện áp sau khi qua bộ lọc:

 Dựa vào nguyên tắc phóng nạp của tụ điện mà nó cho ra dòng điện một chiều như trên hình vẽ.Tụ càng lớn thì độ gợn điện áp càng giảm

Những sóng có tần số cao tần phải được lọc đi nhờ 2 tụ thường C1 và C2 vì trong mạch dùng IC nếu tồn tại những thành phần này thì sẽ gây ra những sai sót khó

Qua bộ lọc là ta đã tạo được điện áp một chiều cấp vào cho bộ biến đổi đổi hay là

bộ ổn áp

Bộ ổn áp LM7805

 Theo thông số datasheet thì ta thấy được các thông số làm việc của 7805 như sau :

 Giải điện áp đầu vào là lớn nhất là 40V Với điện áp đầu ra từ 5V đến 18V thì điện

áp vào lấy là 35V Còn điện áp ra là 24V thì điện áp vào là 40V như vậy mạch ổn

áp với hoạt động ổn định

 Giải nhiệt độ hoạt động là từ 0 đến 125 độ C Cần phải tản nhiệt tốt

 Ở điều kiện thường 7805 cho áp ra 5Vdc, dòng không quá 1A

 Đảm bảo thông số là : Vin - Vout = 2- 3V ( lúc đó mạch mới hoạt động ổn ápđược)

4.2 Khối phát xung đồng bộ

Sơ đồ mạch:

Linh kiện:

 2 IC555

 Trở: 2 con 4.7MΩ, 1 con 2.7K, 1 con 470, 2 con 100Ω

 Tụ thường: 1 con 0.01uF, 1 con 0.1uF

 1 con CD4017

 1 con 74HC58

 Led phát, CB phát siêu âm

Tính toán, lựa chọn linh kiện:

Đối với mạch IC555, ta có công thức chu kỳ: 1 2 2

T = 0.693(R + 2R )C

 Với IC555 thứ nhất:

Chọn: R1=R2=4.7MΩ, C5=0.1uF ta được chu kỳ T=1(s)

Chân 3 của IC555 thứ nhất được nối qua IC4017 để tạo ra dạng xung có chu kìbằng 10 lần chu kì của xung đưa vào (10s), và có thời gian xung có giá trị logic cao là1s

 Với IC555 thứ hai

Chọn : R 3 = 2.7 k , R 4 = 470 , C7 = 0.01 FΩ Ω µ ⇒f = (R 3 + 2R 4 C71,443) ≈40kHz

Các tín hiệu ra của các IC 555 được đưa qua mạch AND (74HC58) để tạo ra tín hiệuđiều khiển xung phát cho các cảm biến phát xung hồng ngoại và siêu âm ở chế độ đa hài.Khi đó, tín hiệu ra là các chùm xung 40KHz có chu kì phát là 1s và chu kỳ ngắt là 9s Mức logic đầu ra của IC 4017 là 1 tương ứng với điện áp 3,7V-5V

Để tạo được điện áp giúp cho cảm biến siêu âm phát ta sẽ sử dụng OP-AMP đểkhuếch đại tín hiệu lên

Ta sử dụng mạch khuếch đại không đảo với :

- Hệ số khuếch đại :

Điện áp đầu ra mạch AND:

- Điện áp hiệu dụng đầu ra của mạch khuếch đại:

Thời gian phóng nạp của của tụ điện thứ 2 tương ứng là t1 và t2

t = 0, 693(R 3 + R 4) C 7; t = 0,693R 4.C7

Tính điện trở han dòng cho LED hồng ngoại:

4.3 Khối thu sóng hồng ngoại

TSOP1740:

Nguyên lý hoạt động:

Để tín hiệu điện áp vào chân 2 của TSOP1740 ổn định là 5Vcc và không cónhiễu thì ta mắc điện trở R1 và C1 theo mạch lọc thông thấp để loại bỏ các tín hiệunhiễu Tín hiệu đầu ra 3 được đưa vào chân dương của OP-AMP để so sánh với tínhiệu đặt, đầu ra OP-AMP đưa vào chân của VĐK

Tính toán, lựa chọn linh kiện.

5

1,2 1,2

cc vào

Tính toán, lựa chọn linh kiện:

Với điều kiện:

Điện áp đầu vào:

1.0,0002 0, 2

Nút reset: Do tính chất cơ học của phím bấm nên khi nhấn nút bấm thì mức lo- gic có

thể sẽ không có tác động như mong muốn, hiện tượng đó là rung phím Để khắc phụchiện tượng này ta có thể giải quyết bằng vấn đề phần cứng hoặc phần mềm Cho đơngiản ta sử dụng phần cứng Để giải quyết được điều này thì hằng số thời gian củamạch R12C11 nhỏ hơn thời gian xảy ra hiện tượng rung TR=1ms

Tính toán, lựa chọn linh kiện

Để tạo xung nhịp cho VĐK ta sử dụng thạch anh dao động 12MHz Khi đó, chu kìxung nhịp sẽ là:

12 / 12MHz 1μs=

Cùng với đó ta lắp thêm hai tụ C12=C13=33p vào

2 đầu của thạch anh để tạo dao động

1

10

5,55