tìm hiểu và nghiên cứu về sóng siêu âm bằng cách dùng vi điều khiển

Tuy nhiên để đo được những giá trị của các linh kiện hay thiết bị ta phải sử dụng một thiết bị chuyên dụng đó là đo khoảng cách bằng sóng siêu âm.. 1.1/ Một số loại cảm biến siêu âm: Cả

Lời cảm ơn

2 năm - một khoảng thời gian không quá ngắn, cũng không quá dài đối với chặng đường của mỗi sinh viên chúng em Đối với em nó thực sự là một kỷ niệm quý báu không bao giờ quên Qua quá trình học tập và rèn luyện dưới mái trường Đại học Trà Vinh, thầy cô đã tận tình giảng dạy, sự giúp đỡ của bạn bè, sự động viên – nuôi dưỡng của cha mẹ Thực sự là động lực, hành trang mới đưa em vào đời

Với hành trang này em chân thành biết ơn quý thầy cô ”trường Đại học Trà Vinh” đã hết lòng truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm cho em trong suốt thời gian học tại trường, mang lại cho em một nền tảng kiến thức để em có thể công tác sau này

Em xin chân thành cảm ơn đến Th.S Vũ Thế Đảng Thầy đã tận tình giúp đỡ và trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian hoàn thành chuyên đề đồ án 2

Em xin chúc quý thầy cô trường Đại học Trà Vinh nói chung, thầy cô khoa Quản trị kinh doanh nói riêng dồi dào sức khỏe, để tiếp bước cho những thế hệ người Việt Nam sau này

Cảm ơn ba mẹ, bạn bè đã giúp đỡ động viên em trong suốt thời gian qua

Trân trọng kính chào !

Bình Dương,ngày 15 tháng 05 năm 2012 SVTH Đặng Quốc Tuấn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



Bình Dương, ngày tháng năm 2012

MỤC LỤC Trang

PHẦN I: MỞ ĐẦU

Chương I: Tổng quan

1.Đặt vấn đề 03

2.Tình hình nghiên cứu 03

3.Tầm quan trọng của việc nghiên cứu 04

PHẦN II: NỘI DUNG Chương II: Cơ sở lý thuyết: giới thiệu sơ lược về sóng siêu âm 1.Sóng siêu âm là gì 05

1.1Một số loại cảm biến siêu âm 05

1.2 Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF 05

1.3 Tầm quét của cảm biến siêu âm 06

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm 06

2 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF 06

3 Các dòng pic và cách lựa chọn vi điều khiển pic 16F877A

Chương III: Thiết kế phần cứng: cảm biến siêu âm HC-SR04 và vi điều khiển 16F877A 1.Cảm biến siêu âm HC-SR04 và đặc điểm kỹ thuật 09

1.1 Giới thiệu 09

1.2 Thông số kỹ thuật 09

1.3 Tính toán khoảng cách

1.4 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm của HC-SR04 10

2 Sơ lược về các chân của Pic 16F877A 11

3 Giao tiếp giữa cảm biến siêu âm HC-SR04 và vi điều khiển 16F877A 13

4 Ứng dụng của cảm biến siêu âm HC-SR04 19

PHẦN III: Kết luận 21

PHẦN I: MỞ ĐẦU Chương I : TỔNG QUAN

1 Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của xã hội, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật Khi mà các sản phẩm mới liên tục ra đời, những vật liệu nổi trội hơn, công nghệ mới cũng ra đời… Song song đó thì nhu cầu của con người đối với sự tiến bộ của xã hội cũng ngày càng khắc khe hơn Đặc biệt khi ngành công nghệ số, trí tuệ nhân tạo ra đời nó cũng len lõi mọi lĩnh vực của xã hội ứng dụng của vi điều khiển vào các ngành công nghệ này là rất lớn

Tuy nhiên để đo được những giá trị của các linh kiện hay thiết bị ta phải sử dụng một thiết bị chuyên dụng đó là đo khoảng cách bằng sóng siêu âm

Trong đề tài này ta chỉ tìm hiểu và nghiên cứu về sóng siêu âm bằng cách dùng Vi điều khiển

Trong quá trình làm đề dù đã rất cố gắng nhưng vẫn không tránh những sai và thiếusót

Rất mong nhận được những đóng góp chân thành của quý thầy cô và các bạn để có thể thực hiện tốt hơn cho các lần tiếp theo

2 Tình hình nghiên cứu:

Dựa trên phương pháp nghiên cứu và phân tích đặc tính chức năng của các linh kiện điện tử cơ bản ( transistor, điện trở, tụ điện, ) các IC số (đếm, giải mã, ) và áp dụng kiến thức đã học, những tài liệu đọc được trên tạp chí, sách, và internet và với

sự hướng ẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn để xây dựng lên một mạch có chức năng đo khoảng cách, hoạt động tốt và đúng với yêu cầu đề tài

3 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu

Mạch đo khoảng cách bằng song siêu âm thuộc đề tài đồ án 2, đây cũng là nghiên cứu và giúp em làm quen với việc làm đồ án 2, làm quen với cách học tự nghiên cứu, học tập và làm việc chung với nhóm, giúp sinh viên vận dụng các kiến thức đã học và cùng với sự hướng dẫn của giáo viên để thực hiện tôt mạch

4 Lĩnh vực ứng dụng:

- Rô bô con, camera, laser

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

GIỚI THIỆU PHẦN SƠ LƯỢC VỀ SÓNG

SIÊU ÂM

1/ Sóng siêu âm là gì :

Về bản chất, sóng siêu âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng siêu âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz

Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng … Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz Sóng siêu âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz

1.1/ Một số loại cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tùy theo công dụng để nhận biết vật trong khoàng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta cũng chế tạo các loại cảm biến siêu âm khác nhau

1.2/ Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (Time Of Flight)

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với tốc độ 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 máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di truyền tring không gian Quãng đường đi của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát sóng của siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến đến chướng vật sẽ được tính theo nguyên lý

TOF: d=v*t/2

1.3/ Tầm quét của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một cánh 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

1.4/ / 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

Nhược điểm:cảm biến siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối

thiểu(giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến) Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian 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

Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải quần áo rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn

Cảm biến tiệm cận siêu âm giới hạn bởi khoảng cách phát hiện nhỏ nhất

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

2/ Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Cảm biến Thông tin Range Angle

*

Echoes

**

Thời gian khác nhau Ghi chú Tối thiểu Tối đa

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến

**: Số vang ghi lại bởi cảm biến Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây

nhất và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau

A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04/08) kích thước

B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được

C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sang

D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

3/ CÁC DÒNG PIC VÀ CÁCH LỰA CHỌN VI ĐIỀU KHIỂN PIC

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:- P I C 1 2 x x x x : đ ộ d à i l ệ n h 1 2 b i t

- P I C 1 6 x x x x : đ ộ d à i l ệ n h 1 4 b i t

- P I C 1 8 x x x x : đ ộ d à i l ệ n h 1 6 b i t

C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

F: PIC có bộ nhớ flash

LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ

Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash) Ngoài ra, còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC.Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ

vi điều khiển PIC do hãng Microchip sảnxuất Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp:

- Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng

Cónhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điềukhiển chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28, 40, 44, … chân

- Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trìnhđược nhiều lần hơn Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tíchhợp sẵn trong vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong

- Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép

- Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìmthấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp

Sơ đồ điều khiển:

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 VÀ VI ĐIỀU

KHIỂN PIC 16F877A

1/ Cảm biến siêu âm HC-SR04 và đặc điểm kỹ thuật

1.1/Giới thiệu

- HC-SR04 là một biến phát triển từ SRF05 được thiết kế để tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí HC-SR04 là hoàn toàn tương thích với SRF05 Khoảng cách được tăng từ 3 mét đến 4 mét

- HC-SR04 cho phép sử dụng một chân duy nhất là cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm được giá trị trên chân điều khiển

- HC -SR04 là tốt chọn Hiệu suất ổn định và độ chính xác khác nhau, cao làm cho nó một mô-đun phổ biến trong thị trường điện tử

có độ chính xác khác nhau, và khoảng cách xa hơn phạm vi

1.3/ Tính toán khoảng cách

Có 4 chân ra khỏi các 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 mức độ cao hơn 10us xung, mô-đun khác nhau, bắt đầu, kết thúc khác nhau, Nếu bạn tìm thấy một đối tượng ở phía trước, Echo pin cao cấp, và dựa vào khoảng cách khác nhau, nó sẽ thời gian khác nhau có trình độ cao Vì vậy, chúng ta có thể tính toán khoảng cách một cách dễ dàng:

Khoảng cách = ((Thời gian có trình độ cao) * (Sonic: 340m / s)) / 2

1.4/ Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm

Chùm tia của HC-SR04 có dạng hình nón và độ rộng của chùn là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên HC-SR04 được biểu diễn bên dưới

1.5/ Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm của HC-SR04

- 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 có truy cập một đối tượng

và được phản xạ trở lại Để tình thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được tính bằng khoảng cách tới đối tượng Xung âm thanh tạo ra bởi HC-SR04 là siêu âm, nghĩa là ở trên phạm vi nhận xét của con người Trong khi tần số thấp nhất 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

- Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm HC-SR04:

+ Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản xạ của nó

+ 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

+ Các vùng cảm biến của HC-SR04 nằm trong khoảng 1 mét chiều rộng từ bên này sang bên kia và không quá 5 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 HC-SR04

bổ sung và gắn kết hai đơn vị hướng về phía trước Thiết lập như vậy thì có một khu

vực mà hai khu vực chồng chéo lên nhau

+ Các vùng hoạt động của 2 cảm biến tạo góc chung 30 độ Vùng chung thì

được phân biệt bởi 2 phần tín hiệu trái phải và phần cản ở giữa

2/ Sơ lược về các chân của PIC 16F877A:

PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40

chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường) Cấu trúc tổng quát của

PIC 16F877A như sau:

- 8 K Flash ROM

- 368 Bytes RAM

- 256 Bytes EEFROM

- 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

- 2 bộ định thời 8 bit (Timer 0 và Timer 2)

- Một bộ định thời 16 bit (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm

năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

- 2 bộ CCp (Capture, Compare, PWM)

- 1 bộ biến đổi AD 10 bit, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

- Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

- Một cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt

- Có chế độ tiết kiệm năng lượng

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming)

- Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

- 35 tập lệnh có độ dài 14 bits

- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz

* Sơ đồ chân PIC 16F877A:

- Chân OSC1/CLK1(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõvào nhận xung clock từ bên ngoài

* AN 0,1,2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2

- Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương

tự củakênh thứ 2/ nhõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn caocủa bộ AD

- Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vàođiện áp chuẩn (cao) của bộ AD

- Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoàicho Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1

- C h â n R A 5 / A N 4 / / C 2 O U T ( 7 ) : x u ấ t n h ậ p s ố / n g õ v à o

t ư ơ n g t ự k ê n h 4 / ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2

- Chân RB0/INT (33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài

- Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số

- Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP

- Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số

- C h â n RB 6 / PG C ( 3 9) : x uấ t n h ấp s ố/ mạ c h g ỡ r ối v à x u ng cl o c k

l ậ p t r ì nh ICSP

- Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP

- Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động

Timer1/ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1

- Chân RC1/T1OSI/CCP2(16) : xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2

- Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1 ,ngõ ra compare1, ngõra PWM1

- Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI./ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chếđộ I2C

- Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập

dữ liệuI2C

- Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI

- C h â n RC 6 / TX / C K(2 5 ) : x u ất n hậ p s ố / t r u yề n b ấ t đ ồ n g b ộ

U S A R T / x u ng đồng bộ USART

- Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART

- Chân RD0-7/PSP0-7(19-30): xuất nhập số/ dữ liệu port song song

- Chân RE0/ /AN5(8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vàotương tự 5

- Chân RE1/ /AN6(9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõvào tương tự kênh thứ 6

- Chân RE2/ /AN7(10): xuất nhấp số/ Chân chọn lụa điều khiển port songsong/ ngõ vào tương tự kênh thứ 7

- Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là các chân nguồn của PIC

3/ Giao tiếp giữa vi điều khiển PIC 16F877A với cảm biến HC-SR04

- Các cảm biến siêu âm HC-SR04 cần một mạch đơn giản: nguồn 5V, một đầu

vào tính hiệu kích hoạt và đầu ra phản hồi Bộ cảm biến được kết nối với một PIC 16F877A cho đầu vào, đầu ra tính toán khoảng cách