BÁO CÁO THỰC TẬP-ĐỊNH VỊ HAI CHIỀU THIẾT BỊ BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

Mà trực tiếp quản lý và hướng dẫn thực hiện là các trường Đại học, Cao đẳng trên toàn thành phố… Đại học Tôn Đức Thắng, một ngôi trường còn khá trẻ, mới thành lập được hơn 10 năm nhưng c

MỤC LỤC

 

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu về vi xử lý PIC 16F877A 5

1.2 Giới thiệu về SRF05 10

1.2.1 Các chế độ hoạt động của SRF05 11

1.2.2 Tính toán khoảng cách sử dụng SRF05 13

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ MẠCH VÀ GIẢI THUẬT 2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 15

2.1.1 Các khối chức năng trong sơ đồ mạch nguyên lý 15

2.1.1.1 Khối nguồn 15

2.1.1.2 Khối điều khiển 16

2.1.1.3 Khối hiển thị 16

2.1.1.4 Khối giao tiếp máy tính 17

2.2 Sơ đồ giải thuật 18

2.3 Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch 19

2.4 Một số hàm sử dụng trong Matlab 19

CHƯƠNG 3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Kết luận- Định hướng phát triển đề tài 21

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ra khá tốt đẹp Trước tình hình đó đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là những thách thức được đặt ra cho giới trí thức

Là sinh viên của một ngôi trường năng động, là công dân của thành phố năng động bậc nhất nước ta, hàng ngày chúng tôi được tiếp xúc với biết bao nhiêu nguồn kiến thức mới từ báo chí, truyền hình, internet… thấy được sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ, thấy được sự phát triển không ngừng của khoa học; khoa học làm cho con người ngày càng văn minh hơn, làm cho cuộc sống con người thoải mái hơn, con người được hưởng thụ nhiều hơn những thành quả mà nhân loại đã làm ra Và con người ngày càng đào sâu, tìm tòi thêm nhiều cái hay, cái mới, cái tiện ích hơn nữa để phục vụ cho cuộc sống của mình

Thành phố có rất nhiều hoạt động hướng tới thế hệ tương lai, hướng tới thế hệ trẻ Phong trào Nghiên cứu khoa học trong sinh viên cũng là một trong những hoạt động thường niên của thành phố, nhằm đào tạo và phát triển trí tuệ, óc sáng tạo của thế hệ trẻ Mà trực tiếp quản lý và hướng dẫn thực hiện là các trường Đại học, Cao đẳng trên toàn thành phố…

Đại học Tôn Đức Thắng, một ngôi trường còn khá trẻ, mới thành lập được hơn 10 năm nhưng có rất nhiều hoạt động sôi nổi, là một trong những trường của thành phố có phong trào Nghiên cứu khoa học trong sinh viên phát triển mạnh Có nhiều đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên nhà trường đạt kết quả cao và tính ứng dụng hiệu quả Có những đề tài đã được giải thưởng cấp Thành, cấp Bộ…

Với những điều nhận thấy được trên đây cộng với phần tò mò muốn tìm hiểu sâu hơn về sóng siêu âm và về các ứng dụng của nó trong thực tiễn nên chúng tôi đã nghiên cứu về đề tài này

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

“ĐỊNH VỊ HAI CHIỀU THIẾT BỊ BẰNG SÓNG SIÊU ÂM”

Ngày nay, sóng siêu âm đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực khoa học – kỹ thuật, cũng như trong lĩnh y học Ứng dụng của nó đã được kiểm chứng thông qua các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn Chẳng hạn, Rada siêu âm được ứng dụng để thăm dò đáy biển, xác định tàu ngầm do có ưu điểm là ít bị suy hao trong môi trường nước Ngoài ra, một số ứng dụng khác của sóng siêu âm là giúp phát hiện lỗi của các sản phẩm trong sản xuất công nghiệp, giúp chẩn đoán, phát hiện và chữa bệnh trong y khoa… Do đó, việc tìm hiểu về sóng siêu âm cũng như các ứng dụng của nó là một điều cần thiết đối với chúng ta

Trên tinh thần đó, đề tài nghiên cứu này nhằm mục đích xác định khoảng cách tương đối,

sự chuyển động của một vật thông qua ứng dụng của việc thu – phát sóng siêu âm Đây là cơ sở

để có thể phát triển lên những đề tài lớn hơn, có tính ứng dụng cao hơn trong cuộc sống

Sau một thời gian tìm tòi, nghiên cứu và thực hiện, chúng tôi đã hoàn thành sản phẩm Đó

là mô hình dùng để định vị khoảng cách một thiết bị Tuy còn nhiều điểm hạn chế nhưng chúng tôi nghĩ nếu đầu tư thêm về kỹ thuật và kiến thức chuyên môn thì sản phẩm của chúng tôi có tính ứng dụng thực tế rất cao trong thực tế cuộc sống

Đề tài nghiên cứu được chia ra thành 3 chương như sau:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Sơ đồ mạch và giải thuật

Chương 3: Hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 GIỚI THIỆU VỀ VI XỬ LÝ 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 EEPROM

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

2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

Một bộ định thời 16 bits (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)

2 bộ biến đổi ADC 10 bits, 8 bits 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 20MHz

Hình 1.1: Sơ đồ c ác chân thực tế của Pic 16F877A

Hình 1.2: Sơ đồ khối của Pic 16F877A

Sự tổ chức bộ nhớ Pic16F877

Pic16F877 có 3 khối bộ nhớ Bộ nhớ chương trình PLASH, bộ nhớ dữ liệu RAM, bộ nhớ EEPROM

Sự tổ chức bộ nhớ chơng trình FLASH và Stack nhớ.

Vi điều khiển PIC16F877 có một bộ đếm chương trình 13 bit và có 8Kx14 từ mã của bộ nhớ chương trình FLASH, được chia thành 4 trang mỗi trang 2Kx14 từ mã

Khi Reset địa chỉ bắt đầu thực hiện chạy là 0000h, Vector ngắt bắt đầu 0004h

Stack có 8 mức dùng để lưu địa (PC) chỉ lệnh thực hiện tiếp theo sau lệnh CALL và khi xảy ra ngắt

Sự tổ chức bộ nhớ dữ liệu RAM

RAM là bộ nhớ có thể đọc và ghi, nó không lưu dữ liệu khi mất điện, bộ nhớ RAM của PIC16F877 có 4 bank, mỗi bank có dải địa chỉ 0-7FH (128byte) trên các bank những thanh ghi đa mục đích, nó hoạt độngnhư một RAM tĩnh (General purpose register), và những thanh ghi chức năng đặc biệt (Special function registers) ở vùng địa chỉ thấp Bít RP1 (Status <6>)

và bit RP0 (Status <5>) dùng để lựa chọn bank làm việc

Hình 1.4: Các bank của Pic 16F877A

Các thanh ghi đa mục đích (General Purpose Register)

Các thanh ghi này được truy cập bằng cả hai cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua thanh ghi FSR,tổng cộng có 368 byte

Các thanh ghi chức năng đặc biệt

Các thanh ghi này được dùng bởi CPU và các khối ngoại vi để điều khiển sự hoạt động theo yêu cầu của thiết bị Các thanh ghi này có thể được phân loại vào hai bộ phận trung tâm (CPU) và ngoại vi

Sau đây là một số thanh ghi đặc biệt quan trọng

Các thanh ghi trạng thái STATUS

Có 4 thanh ghi trạng thái trên 4 dãy, tại các địa chỉ 03h, 83h, 103h, 183h Các thanh ghi này cho biết trạng thái của phần tử lôgic toán học ALU, trạng thái RESET, trạng thái của các

bit lựa chọn dãy thanh ghi cho bộ nhớ dữ liệu Thanh ghi trạng thái có thể là kết quả của một

số lệnh như là với một số thanh ghi khác Nếu thanh ghi trạng thái là kết quả bởi một lệnh

mà tác động đến các bit Z, DC, C thì việc ghi vào các bit này là không thể

Các thanh ghi lựa chọn OPTION_REG

Có hai thanh ghi lựa chọn tại các địa chỉ 81h và 181h, các thanh ghi này có thể đọc hoặc ghi, nó chứa đựng nhiều bit điều khiển khác nhau để xác định hệ số định trước TMR0/hệ số định sau WDT, ngắt ngoài INT, TMR0, các điện áp treo trên cổng B

Các thanh ghi INTCON

Có 4 thanh ghi INTCON tại các địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh Các thanh ghi này có thể đọc và ghi, nó chứa đựng nhiều sự cho phép và các bit cờ cho việc tràn thanh ghi TMR0, các ngắt thay đổi cổng RB và chân các ngắt ngoàI RB0/INT

Thanh ghi PIE1

Tại địa chỉ 8Ch, chứa đựng các bit cho phép riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi

Thanh ghi PIR1

Tại địa chỉ 0Ch, chứa đựng các bit cờ riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi

Thanh ghi PIE2

Tại địa chỉ 8Dh, chứa đựng các bit cho phép riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi CCP2, ngắt xung đột tuyến SSP và EEPROM ghi các hoạt động ngắt

Thanh ghi PIE2

Tại địa chỉ 8Dh, chứa đựng các cờ bit cho các ngắt ngoại vi CCP2, ngắt xung đột tuyến SSP và EEPROM ghi các hoạt động ngắt

Thanh ghi PCON (Power Control)

Chứa bit cờ cho phép phân biệt giữa việc Reset hệ thống (POR) để Reset MCLR ngoại với Reset WDT

PCL và PCLATH

Chương trình đếm chỉ rõ địa chỉ của lệnh tiếp theo được thực hiện PC có độ rộng 13 bit, byte thấp được gọi là thanh ghi PCL, thanh ghi này có thể đọc hoặc ghi

Cổng B và thanh ghi TRISB

Cổng B là cổng hai chiều với độ rộng đường truyền là 8 bit.Tương ứng với nó để điều khiển trực tiếp dữ liệu ta sử dụng thanh ghi TRISB Nếu đặt bít TRISB bằng 1 thì lúc này các chân của cổng B được định nghĩa là chân vào Nếu xoá bít TRISB bằng 0 thì lúc này các chân của cổng B được định nghĩa là chân ra Nội dung của chốt ra có thể chọn trên mỗi chân

Có 3 chân của cổng B có thể đa hợp với các chương trình vận hành bằng điện áp thấp Đó

là các chân sau: RB3/PGM, RB6/PGC, RB7/PGD Sự thay đổi hoạt động của những chân này được miêu tả ở trong phần đặc tính nổi bật Mỗi chân của cổng B có một khả năng dừng bên trong nhưng yếu Điều này được trình bày bởi việc xoá bít RBPU (bit 7 của thanh ghi OPTION_REG) Khả năng dừng này sẽ tự động tắt đi khi các chân của cổng được định nghĩa

là chân ra Khả năng dừng này sẽ tự động mất đi khi ta RESET Bốn chân của cổng B, từ

10RB7 đến RB4 có đặc tính là ngắt khi thay đổi trạng thái Chỉ những chân được định dạng là những chân vào thì ngắt này mới tồn tại Một vài chân RB7:RB4 được định dạng như chân ra

nó thi hành ngắt trên sự thay đổi so sánh Chân vào B7:RB4 được so sánh với giá trị cũ của chốt ở lần đọc cuối cùng của cổng B Sự ghép đôi không khớp chân ra của RB7:RB4 bằng lệnh OR làm phát ra ngắt với cờ bít RBIF của thanh ghi INTCON Ngắt này có thể khởi động thiết bị từ trạng thái SLEEP

1.2 GIỚI THIỆU VỀ SRF05

SRF05- Ultra-Sonic Rangger – định khoảng cách bằng sóng siêu âm là một kỹ thuật mới được phát triển từ SRF04, và SRF05 được thiết kế để tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, giảm chi phí so với SRF04, phạm vi này được tăng từ 3 mét đến 4 mét Ở SRF05 có một chế độ điều hành mới đó là buộc các chế độ chân nối đất, do đó cho phép SRF05 sử dụng một chân duy nhất cho cả việc kích hoạt và phản xạ sóng siêu âm nên sẽ tiết kiệm số chân làm việc Khi chân bên trái của SRF05 chưa được kết nối, các chân SRF05 sẽ hoạt động riêng biệt chế

độ kích hoạt và phản xạ SRF05 cũng có một độ trễ nhỏ do sóng phản xạ dội ngược về Sau đây là hình giới thiệu về SRF05:

Khoảng cách tối đa: 3 m

Khoảng cách tối thiểu: 3 cm

Độ nhạy : Đường kính quét từ 3 cm đến lớn hơn 3m

Đầu vào kích hoạt: 10 uS nhỏ nhất Thời gian sống mức xung

Xung phản hồi: tích cực thời gian sống tín hiệu, tỷ lệ thuận với chiều rộng phạm vi.Kích thước nhỏ: 43mm x 20mm x 17mm chiều cao.

1.2.1 Các chế độ hoạt động của SRF05

SRF05 hoạt động ở 2 chế độ:

Chế độ 1: Tương thích SRF04- Kích hoạt và phản xạ riêng biệt

Chế độ này được sử dụng riêng biệt cho chân kích hoạt và chân phản xạ, đây là chế độ đơn giản và dễ sử dụng nhất Để sử dụng chế độ này thì ta chỉ để lại các chân ở chế độ chưa được kết nối – trong SRF05 có một bộ điện trở nội để kéo điện trở chân lên Đây là hình sơ đồ các chân:

Hình 1.6: Sơ đồ chân của SRF05

Biểu đồ thời gian của SRF05:

Hình 1.7: Biểu đồ thời gian SRF05, ở chế độ 1

Chế độ 2: Chân đơn cho cả kích hoạt và phản xạ

Chế độ này sử dụng một pin duy nhất cho cả hai tín hiệu Trigger và Echo, và được thiết

kế để tiết kiệm giá trị chân về điều khiển nhúng Để sử dụng chế độ này, kết nối chế độ các chân đến chân mặt đất 0V Các tín hiệu phản xạ sẽ xuất hiện trên các chân giống như các tín hiệu kích hoạt Các SRF05 sẽ không nâng cao tiếng vang dòng cho đến khi 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt Ta phải mất thời gian xung quanh chân kích hoạt

và làm cho nó một đầu vào và phải có mã đo mạch đã sẵn sàng Lệnh PULSIN tìm thấy trên các bộ điều khiển phổ biến hiện điều này tự động

Sau đây là sơ đồ các chân của SRF05 hoạt động ở chế độ 2:

Hình 1.8: Sơ đồ chân của SRF05 hoạt động ở chế độ 2

Hình 1.9: Biểu đồ thời gian của SRF05 hoạt động ở chế độ 2

1.2.2 Tính toán khoảng cách sử dụng SRF05

Các biểu đồ thời gian của SRF05 được trình bày ở mục trên cho mỗi chế độ Ta thấy chỉ cần cung cấp một xung ngắn 10uS cho đầu vào kích hoạt để bắt đầu xác định khoảng cách Các SRF05 sẽ phát ra và gửi một khối tín hiệu gồm 8 chu kỳ của sóng siêu âm tại tần số 40khz và nâng cao dòng tiếng vang phản hồi ( hoặc dòng kích hoạt ở chế độ 2) Và sau khi phát hiện được dòng phản hồi thì nó sẽ làm giảm dòng vọng lại Xung của các dòng vọng lại có độ rộng tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng, và bởi xung thời gian có thể tính toán trong phạm vi đơn vị inch/cm hoặc các đơn vị khác Nếu không có vậ thể nào được phát hiện thì xung phản hồi sẽ được hạ thấp dòng sau khoảng 30ms

Các SRF04 sẽ cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoảng cách Nếu độ rộng của xung được đo là đơn vị uS, thì sau đó ta đem chia cho 58 thì sẽ được đơn vị khoảng cách theo centimet hay đem chia cho 148 sẽ được đơn vị khoảng cách theo inch: uS/58= cm hoặc uS/148= inch

Đối với các SRF05 cứ mỗi 50mS sẽ kích hoạt hoặc 20 lần mỗi giây Chúng ta nên đợi 50ms trước khi xung kích hoạt kế tiếp bắt đầu ngay cả khi SRF05 phát hiện được một đối tượng ở gần và xung phản hồi ngắn hơn Điều này là để đảm bảo các cảnh báo siêu âm đã mất dần đi và sẽ không gây ra các phản hồi chồng lên nhau

14Chúng ta không thể thay đổi được mô hình và chiều rộng của chùm tia bởi vì các mô hình chùm SRF05 là hình nón với chiều rộng của chùm tia và diện tích đầu dò là cố định, được quy định bởi nhà sản xuất được thể hiện như hình:

Hình 1.10: Sơ đồ chùm tia sóng siêu âm.

Sử dụng áp 5V (DC) và linh kiện 7805 để ổn áp cho mạch hoạt động, led được sử dụng

để kiểm tra nguồn khi hoạt động

2.1.1.2 Khối điều khiển

PIC 16F877A được sử dụng cho khối điều khiển, thạch anh 20MHz được sử dụng cho dao động của mạch (Tính năng của PIC 16F877A đã được giới thiệu ở chương II)

2.1.1.3 Khối hiển thị

Trong mạch thiết kế, 4 leds 7 đoạn dùng để hiển thị giá trị về tọa độ 2 chiều của vật Trong đó, 2 leds đầu dùng để hiển thị về chiều dọc, còn 2 leds sau hiển thị giá trị chiều ngang.

2.1.1.4 Khối giao tiếp máy tính

Giao tiếp giữa mạch thực tế và máy tính được kết nối thông qua giao tiếp cổng COM Trong kết nối này, linh kiện MAX 232 đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dữ liệu

từ thiết bị lên máy tính để mô phỏng thực tế trên máy tính

2.2 Sơ đồ giải thuật

NHẬN DỮ LIỆU GỬI VỀ

NHẬN DỮ LIỆU GỬI VỀ

PHÁT SÓNG SIÊU ÂM CẤP NGUỒN

GỬI DỮ LIỆU LÊN MÁY TÍNH

GỬI DỮ LIỆU LÊN MÁY TÍNH

2.3 Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch: Bước 1:

Cung cấp nguồn điện cho mạch: sử dụng adaptor 5V (nguồn 220V chuyển thành 5V) để cấp nguồn cho mạch hoạt động.

Bước 2:

2 động cơ servor làm nhiệm vụ quay tròn, tạo góc quét lớn để SRF05 phát và thu sóng siêu

âm liên tục trong phạm vi cho phép, từ đó nhận giá trị về khoảng cách của vật theo 2 trục tọa độ, nhằm xác định vị trí hiện thời hoặc quỹ đạo di chuyển của vật

Vị trí tương đối của vật sẽ được mô phỏng trên giao diện GUI của Matlab, theo 2 trục tọa

độ tương ứng, vị trí vật sẽ được cập nhật liên tục bằng những điểm O (màu đỏ) trên giao diện Đồng thời, giá trị khoảng cách sẽ được hiển thị lên 4 leds 7 đoạn gắn trên board mạch

2.4 Một số hàm sử dụng trong Matlab:

Hàm strcat

Cú pháp:

Strcat(data1, data2)Chức năng:

Dùng để ghép 2 chuỗi dữ liệu riêng biệt chứa trong data1 và data2 thành một chuỗi dữ liệu lớn hơn

Hàm str2num

Cú pháp:

Str2num (text)Chức năng:

Chuyển giá trị từ dạng chuỗi (text) sang giá trị số để sử dụng cho việc tính toán,

xử lý giá trị

Hàm circle

Cú pháp:

Circle (I, r, N)Chức năng:

Vẽ đường tròn trong Matlab với tọa độ tâm I, bán kính r và số điểm trên đường tròn