LÝ THUYẾT SÓNG SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM

LÝ THUYẾT SÓNG SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM

LÝ THUYẾT SÓNG

SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG

SIÊU ÂM :

Khái quát sóng âm

• Các môi trường chất đàn hồi (rắn, lỏng và khí) có thể coi là

những môi trường liên tục gồm những phân tử liên kết

chặc chẽ với nhau Lúc bình thường mỗi phân tử có một vị trí cân bằng bền Nếu tác động một lực lên phân tử A nào

đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các

phân tử bên cạnh, một phân tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác động nên phân tử A di chuyển qua _lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phân tử A thực hiện dao động dưới dạng dao động Hiện tượng này tiếp tục xảy ra với các phân tử khác của môi trường Dao động

cơ, có tính lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ.

• Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó luôn tuân

theo mọi quy luật của sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

• Ví dụ: Đánh lên mặt trống, tác dụng dòng điện làm rung

màng loa, đạn bay trong không khí,….

Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

hiện một lần nén và một lần dãn.

âm truyền được sau một đơn vị thời gian.

sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu

kỳ (λ = v.T = v/f) Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng

λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm

kề nhau.

Định nghĩa sóng siêu âm

• Siêu âm là một dao động âm thanh sóng áp

như vậy, không tách ra từ "bình thường"

(âm thanh) âm thanh dựa trên sự khác biệt

về tính chất vật lý, chỉ có một thực tế mà

con người không thể nghe được Mặc dù

giới hạn này thay đổi từ người này sang

(20,000 hertz) trong lành mạnh, người lớn trẻ tuổi Các thiết bị siêu âm hoạt động với tần số từ 20 kHz đến vài gigahertz.

Ứng dụng sóng siêu âm

nhau Các thiết bị siêu âm được sử dụng để phát hiện các đối tượng và đo khoảng cách Hình ảnh

thuốc thú y và y học của con người Trong các

thử nghiệm không phá hủy các sản phẩm và cơ

cấu, siêu âm được sử dụng để phát hiện các sai sót

vô hình Công nghiệp, siêu âm được sử dụng để làm sạch và để pha trộn, và đẩy nhanh quá trình

hóa học Các sinh vật như dơi và cá heo dùng sóng siêu âm để định vị con mồi và trở ngại

Một số ứng dụng:

cảm biến chuyển động và đo lường, …;

CẢM BIẾN SÓNG SIÊU

ÂM

Giới thiệu về cảm biến tiệm cận

Một số hình ảnh về cảm

biến siêu âm

Một số hình ảnh về cảm biến

siêu âm

Một số hình ảnh về cảm biến

siêu âm

Một số cách bố trí cảm

biến

Bố trí cảm biến

Bố trí cảm biến

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận

• Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog

Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không

sự xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm

nhận của cảm biến.tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối

tượng đến cảm biến

Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tiệm cận siêu âm

• Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm

vận tốc âm thanh là hằng số.thời gian sóng âm thanh đi

từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quảng đường.vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách

• Tần số hoạt động:nhìn chung là cảm biến công nghiệp

hoạt động với tần số là từ 25khz đến 500khz.các cảm

biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5mhz trở lên.tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của cảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi

hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn,với tần số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới

Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tiệm cận siêu âm

Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tiệm cận siêu âm

• MẠCH CẢM BIẾN SIÊU ÂM

MẠCH CẢM BIẾN SIÊU

ÂM

Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tiệm cận siêu âm

• Vùng hoạt động:là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn

nhất và khoảng cách nhỏ nhất

• Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần cảm

biến gọi là khu vực mù

• Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định

khoảng cách phát hiện lớn nhất (vật xốp<bìa các tông<kim loại)

• Cảm biến siêu âm có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện

• Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh

khoảng cách phát hiện,sau một khoảng xác định.khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng

• Ngoài ra để cảm biến siêu âm không phát hiện đối tượng dù

chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến,người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ lại

Xác định khoảng cách

• Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận

tốc khoảng 343m/s Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu

âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được

khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máytính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã dichuyển trong không gian Quãng đường di chuyển củasóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướngngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay

khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ đượctính theo nguyên lý TOF : d=v.t/2

Nguyên lý TOF

Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm, một cách gián tiếp cho ta biết vị trí các chướng ngại vật

theo hướng quét của cảm biến Khi đó, dường như trên

quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng

siêu âm không gặp bất cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cảm biến ghi nhận được, có

một chướng ngại vật Và vì thế, cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các

điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn

các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật

nằm ở đâu đó

2 chân tương thích SRF04

SRF05

Hình ảnh và thông số kỹ thuật

của vài cảm biến siêu âm

SRF10 – Cảm biến siêu âm

tương tự - Biến thiên 40- 700 trong 16 bước

Đầu nối - Bus tiêu chuẩn I2C

Định thời - Tín hiệu về trong toàn

thời gian làm việc, quản lí chức năng tự

do

Đơn vị- - uS, mm hoặc inches

SRF10

Hình ảnh và thông số kỹ thuật

của vài cảm biến siêu âm

SRF08 – Cảm biến siêu âm vai trò

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm

• ƯU ĐIỂM :khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên

tới 15m

• Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc

của bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng

• Ví dụ:bề mặt kính trong suốt ,bề mặt gốm màu nâu,bề mặt

plastic màu trắng hay bề mặt chất liệu nhôm sáng trắng là như nhau

• Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ

tuyến tính với khoảng cách.Điều này đặc biệt lí tưởng cho các ứng dụng như theo dỏi các mức vật chất,mức độ

chuyển động cuả đối tượng

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm

diện tích bề mặt tối thiểu(giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến)

của sóng âm thanh tạp âm

sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi.kết quả cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác

vảu quần áo rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn

•

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm

• Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ

thuộc vào nhiệt độ) áp suất,sự chuyển động không đều của

không khí,bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo

• Nhiệt độ của bề mặt đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt

động của cảm biến,hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng,làm cho khoảng cách phát hiện của đối

tượng ngắn lại và giá trị khoảng cách không chính xác

• Bề mặt phẳng phản hồi năng lượng của sóng âm thanh tốt hơn

bề mặt gồ ghề,tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có đòi hỏi khắc khe về vị trí góc tạo thành giữa cảm biến và mặt phẳng đối

tượng

GIỚI THIỆU SRF04

• Mô tả

đo không tiếp xúc 400cm, độ chính xác khác nhau, có thể đạt đến 3mm Các mô-đun bao gồm các máy phát siêu âm, thu và mạch điều khiển.

xung trở lại.

thời gian là thời gian từ khi gửi siêu âm để trở về Kiểm tra khoảng cách = (thời gian cao cấp × vận tốc của âm thanh (340m / s) / 2

• Nếu bạn đang tìm nguồn cung ứng một mô-đun khác nhau, siêu

âm, HC-SR04 là lựa chọn tốt Hoạt động ổn định và độ chính xác cao khác nhau, làm cho nó một mô-đun phổ biến trong thị trường điện tử So với hình dạng mô-đun khác nhau, hồng

ngoại, HC-SR04 là rẻ hơn so với nó Nhưng nó có độ chính xác khác nhau, tương tự và khoảng cách còn rãi

• Có 4 chân ra khỏi mô-đun: VCC, Trig, Echo, GND Vì vậy, đó

là một giao diện rất dễ dàng cho bộ điều khiển để sử dụng nó khác nhau Quá trình tất cả là: kéo pin Trig đến cấp độ cao hơn 10us xung, bắt đầu mô-đun khác nhau, kết thúc khác nhau Nếu bạn tìm thấy một đối tượng ở phía trước, Echo pin sẽ được cấp

Sơ đồ :

dàng để sử dụng như các sonar Polaroid,

đòi hỏi phải có một xung kích hoạt ngắn và cung cấp một xung echo Điều khiển của bạn chỉ có để thời gian chiều dài của xung này để tìm phạm vi Các kết nối đến các

SRF04 được hiển thị dưới đây:

• Các SRF04 sơ đồ Thời gian được hiển thị dưới

đây Bạn chỉ cần cung cấp một xung 10us ngắn đến đầu vào kích hoạt để bắt đầu rãi Các SRF04

sẽ gửi ra một chu kỳ 8 bùng nổ của siêu âm tại

40kHz và nâng cao dòng tiếng vang của nó

cao Sau đó nó nghe một tiếng vang, và ngay sau khi phát hiện một nó làm giảm dòng vang một lần nữa Do đó dòng echo là một xung có chiều rộng

là tỷ lệ thuận với khoảng cách tới đối tượng Bởi tính toán thời gian xung có thể tính toán trong

phạm vi inch / cm hoặc bất cứ điều gì khác Nếu không có gì được phát hiện sau đó các SRF04 sẽ làm giảm dòng tiếng vang của nó anyway sau khi

về 36mS.

TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN AT89S52 VÀ BỘ CAPTURE

I GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AT89S52

1 Tổng quan về 89S52

• AT89S52 là họ IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất Các sản

phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển Việc xử lý trên byte và cáctoán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữliệu nhanh trên RAM nội Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnhsố học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia Nó cung cấp những hổ trợ mở rộngtrên chip dùng cho

những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quảnlý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển.

• AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 KByte bộ nhớ chỉ

đọc có thể xóa và lập trình

nhanh(EPROM), 128ByteRAM, 32đường I/O,3TIMER/COUNTER

16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếpbán song

Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm

• 128 Byte RAM nội.

• 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.

• Giao tiếp nối tiếp

• 64 KB vùng nhớ mã ngoài

• 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

• 4µ s cho hoạt động nhân hoặc chia

Sơ đồ khối , chân và mạch nạp

của AT89S52:

Một số hình ảnh của

AT89S52

Bộ Capture

của AVR, chân này nối với khối input capture, chức

năng của khối này là : Khi có sự kiện

(rising,falling,level) ở chân input capture thì giá trị của thanh ghi bộ định thời (1,2 ) sẽ được cập nhật (coppy) vào thanh ghi input capture register Chức năng này dùng để đo khoảng thời gian giữa các sự kiện Để ý là khi xảy ra sự kiện input capture thì sẽ tạo ra 1 ngắt,nếu ngắt input capture được cho phép Như vậy chức năng input capture có liên quan mật thiết tới bộ định thời, nên bạn cần tìm hiểu bộ định thời.

• Ví dụ: chức năng input capture trong PIC16F877A.

CCP2 Cách thức hoạt động của nó khá đơn giản Khi

có một sự kiện (cạnh lên hoặc cạnh xuống ) trên chân CCP1 hoặc CCP2 thì giá trị của timer 1 sẽ tự động

được copy vào thanh ghi Capture tương ứng Ứng dụng quan trọng nhất của input capture là để đo tần số của một tín hiệu Bằng cách đo khoảng thời gian giữa 2 lần capture liên tiếp ta có thể tính được tần số của tín hiệu

- Trong ví dụ sau ta sẽ sử dụng chức năng capture để

đo tần số của tín hiệu sau đó hiển thị giá trị tần số lên LCD16x2

- Thiết lập Input Capture 2:

· Chọn chế độ cho Input Capture 2: setup_ccp2(CCP_CAPTURE_FE);

· Kích hoạt ngắt Input capture 2:

- Chương trình chính:

HTML:

void main() { unsigned char str[20]; float

tan_so; LCD_Init(); sprintf(str,"INPUT

CAPTURE"); delay_ms(10); LCD_Puts(str); delay_ms(1000); LCD_Clear();

MỘT SỐ MẠCH DÙNG AVR

VÀ AT89S52

• Ở đây ta sử dụng chíp 89s52 để điều khiển và tính toán giá trị cảm

biến, hiển thị kết quả đo đó lên led 7 đoạn.

• Sơ đồ nguyên lý:

unsigned char timel,timeh,i;

Chúc thầy và các bạn

sinh viên nhiều sức khỏe và thành công!