THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ HỆ THỐNG ĐO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ cho phép con người tạo ra những sản phẩm, hay các trang thiết bị cần thiết cho cuộc sống, việc tạo ra được thiết bị đo kích thước tự đ

Đồng thời xin chân thành cảm ơn anh (chị) trên diễn đàn codientu.org, picvietnam.com đã giúp em hiểu rõ hơn về các loại cảm biến, vi điều khiển

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2013

em đã ứng dụng phần mềm như:AutoCAD thiết kế cơ khí, Ocard thiết kế mạch, trình biên dịch CCS viết chương trình cho PIC… Thiết bị đo hoạt động tương đối ổn định

và đúng theo yêu cầu đặt ra, nhưng còn gặp một số hạn chế nhất định

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN II

TÓM TẮT III

DANH SÁCH HÌNH VẼ VII

DANH SÁCH BẢNG BIỂU IX

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 1

1.3 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu 1

1.4 Giới đề hạn tài 2

1.5 Ứng dụng của đề tài vào thực tiễn 2

1.6 Tổng quan về thiết bị đo kích thước 2

1.6.1 Tìm hiểu chung về thiết bị đo kích thước 2

1.6.2 Phương pháp đo kích thước: 3

1 7 Các dụng cụ đo kích thước cơ bản 4

1.7.1 Thước cặp 4

1.7.2 Thước Panme 5

1.7.3 Đồng hồ so 7

1.7.4 Máy đo độ dày vật liệu UTG ME 8

1.8.Kết luận chương 11

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH THIẾT BỊ ĐO 12

2.1 Cơ sở vật lý của sóng âm 12

2.1.1 Khái niện 12

2.1.2 Phân loại sóng âm 13

2.1.3 Sóng siêu âm 14

2.2 Một số tính chất cảm biến siêu âm 15

2.2.1 Giới thiệu chung về cảm biến siêu âm 15

2.2.2 Nguyên lý TOF 21

2.2.3 Các sai số do nhiễu phổ biến với cảm biến siêu âm 23

2.3 Phương án thiết kế cho thiết bị đo kích thước 24

2.4.Kết luận chương 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ HỆ THỐNG ĐO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO 26

3.1 Thiết kế phần cơ khí của thiết bị đo 26

3.1.1 Giới thiệu phần mền AUTOCAD 26

3.1.2 Thiết kế phần cơ khí: 27

3.2 Thiết kế phần mạch cho thiết bị đo 29

3.2.1 Giới thiệu chung 29

3.2.2 Giới thiệu về phần mềm OrCad 30

3.2.3 Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A 30

3.2.4 Cảm biến siêu âm Ultrasonic SFR05 36

3.2.5 Điện trở 39

3.2.6 Biến trở 41

3.2.7 Tụ điện 41

3.2.8 Diode 43

3.2.9.IC LM7805 44

3.2.10.Nguồn pin 45

3.2.11.Diode cầu 45

3.2.12 Màn hình hiển thị LCD: 46

3.2.13 Sơ đồ ghép nối module ngoại vi và mạch của thiết bị đo kích thước sử dụng cảm biến siêu âm 48

3.3 Kết luận chương 49

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO KÍCH THƯỚC SỬ DỤNG

CẢM BIẾN SIÊU ÂM HOÀN CHỈNH 50

4.1 Tổng quan 50

4.2 Khối nguồn 50

4.3 Khối mạch điều khiển trung tâm dùng PIC 16F877A 51

4.4 Lưu đồ thuật toán của chương trình 53

4.5 Chương trình điều khiển: 56

4.5.1 Giới thiệu về phần miền biên dịch CCS: 56

4.5.2 Chương trình nạp cho PIC16F877A 57

4.6 Thi công, kiểm tra, hoàn thiện mạch 62

4.6.1 Mạch layout 62

4.6.2 Mô hình mạch hoàn thiện 63

4.6.3 Đánh giá độ chính xác của thiết bị đo 65

4.7.Kết luận chương 65

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66

5.1 Kết luận 66

5.2 Hướng phát triển 66

PHỤ LỤC 67

Phụ lục A1 67

Phụ lục A2 70

Phụ lục B1 73

Phụ lục B2 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo thước cặp

Hình 1.2 Cách xác định trị giá trị đo của thước cặp

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo của thước Panme chuyên dùng

Hình 1.4 Cấu tạo đồng hồ so

Hình 1.5 Cấu tạo máy đo UTG ME

Hình 1.6 Đưa máy đo về trạng thái sẵn sàng đo

Hình 1.7 Thời gian sóng siêu âm truyền qua vật liệu

Hình 2.1 Biên dạng của sóng âm

Hình 2.2 Dải tần số ứng dụng của sóng siêu âm

Hình 2.3 Một số loại cảm biến siêu âm

Hình 2.4 Mạch phát sóng siêu âm

Hình 2.5 Mạch chuyển đổi tín hiệu

Hình 2.6 Một số ứng dụng cảm biến siêu âm trong dây chuyền sản công nghiệp Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.8 Tầm quét của cảm biến siêu âm

Hình 2.9 Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật cản

Hình 2.10 Hiện tượng Forecasting

Hình 2.11 Hiện tượng đọc chéo

Hình 3.1 Bản vẽ phần đế

Hình 3.2 Chân đế

Hình 3.3 Khung

Hình 3.4 Mô hình cơ khí thiết bị đo

Hình 3.5 Sơ đồ chân PIC 16F877A

Hình 3.6 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Hình 3.7 Cảm biến siêu âm SRF05

Hình 4.2 Khối điều khiển trung tâm

Hình 4.3 Cửa sổ làm việc trình biên dịch CCS Hình 4.4 Cửa sổ làm việc PICkit 2 v2.61 Hình 4.5 Mạch nạp pickit 2

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các loại cảm biến siêu âm thông dụng Bảng 3.1 Trị số của điện trở

Bảng 3.2 Chức năng các chân của LCD1602A

Bảng 4.1 Kết quả đo thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 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, những vật liệu mới, công nghệ mới liên tục ra đời Song song đó thì nhu cầu của con người đối với sự tiến bộ của xã hội cũng ngày càng khắt 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 Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ cho phép con người tạo

ra những sản phẩm, hay các trang thiết bị cần thiết cho cuộc sống, việc tạo ra được thiết bị đo kích thước tự động sử dụng cảm biến siêu âm nhằm rút ngắn thời gian đo,

Rất mong nhận được những đóng góp chân thành của quý thầy cô và các bạn để

có thể giúp em thực hiện tốt hơn đồ án tốt nghiệp này

1.2 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 (Integrated Circuit) số (đếm, giải mã, ) và áp dụng kiến thức đã học, những tài liệu tham khảo trên tạp chí, sách, và internet và với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo đã xây dựng lên thiết

bị đo kích thước bằng sóng siêu âm, thực hiện đúng với yêu cầu đề tài

1.3 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu

Việc thực hiện đồ án thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị đo kích thước sử dụng cảm biến siêu âm giúp em làm quen với cách học tập, nghiên cứu và làm việc chung với nhóm, cũng như vận dụng các kiến thức đã học và cùng với sự hướng dẫn của giáo viên để thực hiện tốt đề tài này

1.4 Giới đề hạn tài

Cảm biến siêu âm thì được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống Nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên em không thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật và các lĩnh vực ứng dụng cảm biến đó Vì vậy, nội dung của

đồ án này tập trung vào một số vấn đề cơ bản như sau:

+ Giới thiệu sơ lược về thiết bị đo kích thước

+ Sơ lược về sóng siêu âm

+ Tổng quan về cảm biến siêu SRF05 và PIC16F877A

+ Thiết kế phần cơ khí và phần mạch của thiết bị đo

+ Khảo sát thiết bị đo kích thước bằng sóng siêu âm

1.5 Ứng dụng của đề tài vào thực tiễn

Nếu thiết bị đo được ứng dụng vào thực tế giúp con người có thể kiểm tra kích thước của vật thể 1 cách dễ dàng, thông qua hệ thống các cảm biến gắn trên thiết bị xác định kích thước của vật thể một cách nhanh và chính xác nhất

Như việc ứng dụng thiết bị đo kích thước vào dây chuyền phân loại sản phẩm ,thiết bị đo sẽ phát hiện những chi tiết nào có kích thước đạt và không đạt yêu cầu rồi gửi tín hiệu về CPU để điều khiển cơ cấu phân loại khác

1.6 Tổng quan về thiết bị đo kích thước

1.6.1 Tìm hiểu chung về thiết bị đo kích thước

Ngày nay, hầu hết các ngành kỹ thuật luôn bao gồm kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động, mà trong đó các phần tử cảm biến đo lường thường đóng vai trò quan trọng, ứng dụng điển hình là trong các dây chuyền công nghệ cơ khí chế tạo, các máy

tự động trong sản xuất, gia công gỗ, kim loại, nhựa plastics, máy móc chế biến thực phẩm, các loại máy in và đóng gói sản phẩm, vv

Sự phát triển của kỹ thuật đo lường và điều khiển hiện đại dựa trên cơ sở những

tiến bộ khoa học của nhiều ngành, lý thuyết cơ bản cũng như những tiến bộ công nghệ

trong kỹ thuật ứng dụng Đặc biệt, tiến bộ kỹ thuật công nghệ đã đưa đến sự thống nhất chuẩn hóa trong chế xuất các linh kiện, các phần tử tự động, các khối chức năng module Trong nhiều lĩnh vực khác nhau cũng có nhiều trường hợp sử dụng những

bộ phận, phần tử tự động chức năng như nhau Ví dụ, các hệ cảm biến vị trí và điều

khiển các vật thể dịch chuyển với độ chính xác cao được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như giao thông vận tải, hàng hải, hàng không, cứu hộ (định vị tàu thuyền, xe máy và máy bay, điều khiển các hệ dự phòng và truyền tải nặng ), cũng như trong các ngành thông tin liên lạc viễn thông, thiên văn vũ trụ (dùng để điều chỉnh vị trí của các anntena radio, radar, các hệ viễn vọng, thiên văn, )

Nói chung, các phần tử cảm biến không hoạt động tự thân, chúng là một bộ phận của một hệ lớn bao gồm cả các bộ chuẩn hóa tín hiệu và các mạch xử lý tín hiệu số và tương tự khác nhau Ví dụ, hệ thống có thể là hệ đo lường, hệ thu thập dừ liệu, hay hệ điều khiển quá trình công nghệ Việc áp dụng các loại cảm biến vào đo lường cho phép rút ngắn thời gian đo, làm tăng độ chính xác Điển hình là dụng cụ đo kích thước

sử dụng cảm biến dùng để đo đạc, kiểm tra các thông số chế tạo nhằm đảm bảo độ tin cậy, an toàn khi sử dụng của các chi tiết và máy móc cơ khí Các thống số cần kiểm tra như: Kích thước, khe hở, độ sâu, độ cao, tính đồng nhất của vật liệu chế tạo chi tiết cơ khí, khả năng dẫn điện, khả năng chịu lực nén, kéo, xoắn, đo chân không, đo áp suất,

đo nhiệt độ Tùy theo các loại máy móc và chi tiết cơ khí được ứng dụng ở các môi trường khác nhau, sẽ đòi hỏi dụng cụ đo chuyên dùng có tính chính xác khác nhau để

đảm bảo được độ an toàn khi máy móc cơ khí hoạt động

1.6.2 Phương pháp đo kích thước:

 Phương pháp đo trực tiếp

Với phương pháp này, giá trị đại lượng đo được xác định theo chỉ số của dụng cụ

đo hoặc theo độ sai lệch kích thước của vật so với kích thước mẫu

Đo trực tiếp bao gồm đo trực tiếp tuyệt đối và đo trực tiếp so sánh:

 Đo trực tiếp tuyệt đối: Đo trực tiếp kích thước cần đo và giá trị kích thước nhận

được trực tiếp trên vạch chỉ thị của dụng cụ đo

 Đo trực tiếp so sánh: Đo trực tiếp kích thước cần đo, nhưng khi đo xác định trị

số sai lệch của kích thước so với mẫu, giá trị kích thước tính bằng phép cộng đại số kích thước mẫu với trị số sai lệch đó

 Đo gián tiếp

Đặc điểm của đo gián tiếp là giá trị của đại lượng đo được xác định gián tiếp qua kết quả đo trực tiếp các đại lượng có liên quan đến đại lượng đó

Thước cặp dùng đo kích thước như chiều dài, rộng của chi tiết hình trụ, vuông

hay đo đường kính trong, đường kính ngoài của các chi tiết dạng lỗ Có rất nhiều loại thước tùy theo yêu cầu khoảng đo hay độ chính xác là bao nhiêu mà ta đưa ra cách chọn cho phù hợp

 Phân loại:

 Phân loại theo thang đo của thước:

+ Thước cặp 1/10: Đo được kích thước chính xác tới 0.1mm

+ Thước cặp 1/20: Đo được kích thước chính xác tới 0.05mm

+ Thước cặp 1/50: Đo được kích thước chính xác tới 0.02mm

 Phân loại theo cấu tạo của thước: Thước cặp du xích, thước cặp đồng hồ, thước cặp điện tử

 Phân lọai theo độ dài đo được thân thước: có thước cặp 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, 500mm, 750mm, 1000mm

 Cấu tạo:

Hình 1.1 Cấu tạo thước cặp

 Cách đo

 Trước khi đo cần kiểm tra thước có chính xác không bằng cách kéo du xích về

vị trí 0 ban đầu

 Kiểm tra bề mặt vật đo có sạch không

 Khi đo phải giữ cho 2 mặt phẳng của thước song song với mặt phẳng cần đo

 Muốn lấy thước ra khỏi vị trí đo thì phải vặn đai ốc hãm để cố định hàm động với thân thước chính

Panme là dụng cụ đo chính xác, tính vạn năng kém (phải chế tạo từng lọai panme

đo ngoài, đo trong, đo sâu) phạm vi đo hẹp (khoảng 25mm)

Panme có nhiều kích cỡ: 0-25, 25-50, 50-75, 75-100, 100-125, 125-150, … Ngày nay có nhiều loại thước cặp và Panme cho ta lựa chọn từ dạng cơ tới loại điện tử hiển thị số đảm bảo độ chính xác cao phù hợp với các tiêu chuẩn ISO

(International Organization for Standardization) trên thế giới Thao tác sử dụng dễ dàng, phù hợp với môi trường nhiệt độ ở Việt Nam được cung cấp bởi các hãng nổi tiếng trên thế giới

Panme cơ hay Panme điện tử để đo kích thước của một vật có dạng hình học đối xứng và dùng cân kỹ thuật để đo khối lượng của vật đó Trên cơ sở các phép đo này có thể nhận định thể tích và khối lượng riêng của vật Đồng thời, tính toán sai số của các phép đo trực tiếp và gián tiếp

 Phân loại:

 Phân lọai theo bước ren:

+ Trục ren có bước ren 1mm, ống di động (thước phụ) có thanh chia vòng được chia thành 100 phần.Ưu điểm dễ đọc số đo, nhưng thân lớn, nặng, thô ngày nay ít dùng

+ Trục ren có các bước ren 0, 5mm thang chi vòng của thước động chia ra 50 phần

 Phân loại theo công dụng: Panme đo kích thước ngoài, Panme đo kích thước trong, Panme đo chiều sâu

 Phân loại theo cách hiện thị: Panme cơ, Panme đồng hồ, Panme điện tử

 Cấu tạo:

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo của thước Panme chuyên dùng

1 Mặt đo, 2 Trục xoay, 3 Khung, 4 Chốt khóa, 5 Thanh xoay, 6 Tay xoay

 Cách đo:

 Trước khi đo cần kiểm tra xem panme có chính xác không

 Khi đo tay trái cầm panme, tay phải vặn cho đầu đo điến gần tiếp xúc với vật đúng áp lực đo

 Đọc trị số khi đo dựa vào mép thước động ta đọc được số “mm” và nửa “mm” của kích thước ở trên thước chính

 Dựa vào vạch chuẩn trên thước chính ta đọc được phần trăm “mm” trên thước phụ

1.7.3 Đồng hồ so

 Đặc điểm và công dụng

 Là dụng cụ đo chính xác 0.01-0.001mm Đồng hồ điện tử còn chính xác hơn

 Đồng hồ so dùng nhiều trong kiểm tra sai lệch hình dạng hình học như độ côn,

độ thẳng, độ song song vuông góc, độ không đồng trục

 Đồng hồ so còn có thể kiểm tra hàng loạt bằng phương pháp so sánh

 Phân loại: Có 2 loại đồng hồ so

 Đồng hồ so cơ học

 Đồng hồ so điện tử

 Cấu tạo:

Hình 1.4 Cấu tạo đồng hồ so

Máy đo UTG ME do hãng DelFelSko Corp của Mỹ sản xuất, nó được dùng để

đo độ dày của vật liệu như thép, nhựa, lớp phủ bề mặt … và được sử dụng nhiều trong công nghệ siêu âm.Khi sử dụng thiết bị không làm ảnh hưởng tới bề mặt hay cấu trúc bên trong của vật liệu

Ứng dụng:

Đo độ dày bề mặt kim loại mà không cần loại bỏ lớp sơn, phủ trên bền mặt (khi

đo máy sẽ phát ra sóng siêu âm tự động xuyên qua lớp sơn), rất thích hợp để kiểm tra

độ dày vật liệu không muốn loại bỏ lớp sơn

Thông số kỹ thuật:

Kiểu đầu đo: tần số 5 MHz tiếp xúc

+ Chế độ: Single Echo (phản xạ đơn)

+ Dải đo: 1.00 đến 125.00 mm (0.040" đến 5.000")

+ Chế độ: Multiple Echo (phản xạ nhiều lần)

+ Dải đo: 2.50 to 60.00 mm (0.100" to 2.500")

+ Khả năng đo qua lớp sơn: có

+ Khả năng đọc chế độ thông thường: 4 giá trị/giây

+ Khả năng đọc chế độ Scan: 4 giá trị/giây

1 Cổng giao tiếp với thiết bị

Hình 1.6 Đưa máy đo về trạng thái sẵn sàng đo

Đầu dò truyền sóng siêu âm vào vật liệu được đo, sóng được đi qua vật liệu phía đối diện.Khi sóng gặp một tiết diện khác như không khí hay vật liệu khác sóng sẽ được phản xạ lại đầu dò Thời gian cần thiết cho sóng truyền qua vật liệu là và

Như hình 1.7 thì thời gian mà sóng âm truyền qua lớp vật liệu có phủ bề mặt lớn

hơn so với vật liệu không phủ

Hình 1.7 Thời gian sóng siêu âm truyền qua vật liệu

Độ dày của vật liệu đo = (1.1)

Trong đó:

: Độ dày của vật liệu 1 và 2

: Thời gian từ khi sóng siêu âm được phát đi cho tới khi thu về của vật liệu 1

và 2

: Vận tốc của âm thanh (343m/s)

Do vật liệu có phủ 1 lớp sơn nên kết quả đo sẽ khác với thực tế, kết quả đo bằng chiều dày lớp sơn cộng chiều dày kim loại

Vận tốc của âm thanh được thể hiện trong mỗi inch micro giây hoặc mét mỗi giây Nó là khác nhau cho tất cả các vật liệu

Ví dụ: âm thanh đi qua thép nhanh hơn (~ 0, 233 in/μs) so với đi qua

nhựa (~ 0, 086 in/μs)

1.8.Kết luận chương

Trong thời đại ngày nay việc sử dụng các thiết bị đo ngày càng được sử dụng phổ biến, quá trình tự động hóa ngày càng giúp con người làm việc trong những điều kiện khó khăn ( về thời gian, cũng như mức độ nguy hiểm …) Chương này , em đã đi tìm hiểu sơ lược về cấu tạo ,phân loại và các phương pháp đo của thiết bị đo kích thước

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH THIẾT BỊ ĐO

2.1 Cơ sở vật lý của sóng âm

sẽ di chuyển qua lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng

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

truyền âm

 Các đại lượng đặc trương của sóng:

λ= → c=λ.f (2.1)

Hình 2.1 Biên dạng của sóng âm

Trong đó:

 Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần giãn

 Tần số f(Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây

 Vận tốc c truyền của sóng siêu âm là quãng đường mà sóng âm truyền được

trong một đơn vị thời gian

 Độ dài bước sóng λ (µm) là quảng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ, trên hình vẽ ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau

2.1.2 Phân loại sóng âm

 Phân loại theo phương dao động: dựa vào cách truyền sóng, người ta chia

sóng cơ ra làm hai loại: sóng dọc và sóng ngang

Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng, tính chất này chỉ có ở vật rắn

Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng Sóng dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó truyền được trong các vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí

 Phân loại theo tần số: sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính

 Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16 Hz

 Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz

 Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz

2.1.3 Sóng siêu âm

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 có thể lan truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường lan truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc độ gần bằng tốc độ âm thanh Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi tần số cao hơn, bước sóng của siêu âm thường ngắn hơn bước sóng của âm thanh Nhờ bước sóng ngắn, độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước

cỡ centimet hoặc milimet Do đó sóng siêu âm được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh y khoa (siêu âm y khoa) hoặc chụp ảnh bên trong các cấu trúc cơ khí trong kiểm tra không phá hủy Nhờ khả năng không bị nhận biết được bởi người, sóng siêu âm còn được dùng trong các ứng dụng quan trọng khác, như để đo khoảng cách hay vận tốc Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng sóng siêu âm khác như làm sạch bằng siêu âm, hàn siêu âm, ứng dụng siêu âm trong hóa học, sinh học,

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

Hình 2.2 Dải tần số ứng dụng của sóng siêu âm

2.2 Một số tính chất cảm biến siêu âm

2.2.1 Giới thiệu chung về cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí, khoảng cách của các vật

thông qua phát sóng siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không phải kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ

số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Cảm biến siên âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vật trong khoảng 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 chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau

 Các loại cảm biến siêu âm thông dụng dòng SRF

Bảng 2.1 Các loại cảm biến siêu âm thông dụng

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở 1 / 2 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 sáng D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

Hình 2.3 Một số loại cảm biến siêu âm

 Cấu tạo cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính: bộ phận phát và nhận sóng, bộ phận so sánh, mạch phát hiện, mạch hiển thị

Cụ thể như sau:

 Bộ phận phát và nhận sóng

Hình 2.4 Mạch phát sóng siêu âm

Hình 2.5 Mạch chuyển đổi tín hiệu

Tín hiệu vào được khuếch đại cổng không đảo qua N1 và N2, chỉnh lưu qua diode và so sánh với điện áp đặt sẵn tạo điện áp dạng xung vuông

 Bộ so sánh

Bằng cách lập trình cho bộ vi xử lý, bộ phận so sánh sẽ đo khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát và nhận sóng siêu âm, sau đó so sánh với vận tốc âm thanh

 Khi có tín hiệu dạng Digital từ bộ so sánh, bộ giải mã thực hiện giải mã sau đó đưa ra tín hiệu số tương ứng để điều khiển hiển thị LED tương ứng với khoảng cách vật thể đo được

 Bộ điều khiển hiển thị LED 7 đoạn

 Nguyên lý hoạt động của cảm biến 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 xác định vị trí và 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 hạn ở mức 1m

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 sóng âm thanh

 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 máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF

 Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Từ lâu, siêu âm đã được ứng dụng trong thực tế như:

Rada siêu âm dùng để phát hiện các mục tiêu dưới nước như thăm đò đáy biển, phát hiện tàu ngầm, đàn cá.Ưu điểm của siêu âm là ít bị suy giảm trong môi trường nước

Phát hiện phóng điện cục bộ trong máy biến áp Khi có phóng điện cục bộ trong máy biến áp sẽ phát sinh sóng siêu âm lan truyền trong dầu Nhờ bộ cảm biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản xạ của nguồn phóng điện và định vị chính xác vị trí dây quấn máy biến áp có phóng điện cục bộ

Trong ngành y tế, rada siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấu trúc nội tại của

cơ thể, chẩn đoán chính xác khối u, thai nhi.Siêu âm còn được ứng dụng rộng rãi trong

kỹ thuật gia công kim loại Sóng siêu âm là sóng cơ đàn hồi mang năng lượng, có thể làm sạch bề mặt các chi tiết trước khi gia công như mạ, hàn.Trong kĩ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội khi chùm siêu âm được chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp ta phát hiện được trạng thái bề mặt và các khuyết tật bên trong cấu trúc

Ngoài ra cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng, đo khoảng cách độ cao hay vị trí của phiến gổ trên dây chuyền, dùng để phát hiện ra người, phát hiện dây

bị đứt, phát hiện xe, phát hiện chiều cao….và nhiều ứng dụng quan trọng khác trong cuộc sống

Hình 2.6 Một số ứng dụng cảm biến siêu âm trong dây chuyền sản công nghiệp

 Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến 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 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

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 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

2.2.2 Nguyên lý TOF

Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian truyền của sóng Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí) Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điện từ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s).Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý

d= (2.2)

Trong đó:

d: là khoảng cách cần đo

v: là vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền sóng

t: là thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại

 Tầm quét của cảm biến siêu âm:

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, giường 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 giường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì giường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó

Hình 2.8 Tầm quét của cảm biến siêu âm

Như vậy, khi phát và thu về sóng siêu âm, ta ghi nhận được một vector định vị, với hướng là hướng của cảm biến và độ lớn là khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật Và khi đó, nếu ta nói cảm biến ghi nhận một vector 100cm, theo hướng theta,

có nghĩa là trong khoảng từ cảm biến tới chướng ngại vật ở hướng theta giường như không có vật cản nào, và chướng ngại vật nằm ở đâu đó, cách cảm biến theo hướng phát của cảm biến (theta) một khoảng 100cm

Hình 2.8 chỉ ra rằng nếu có vật cản nằm trong tần quét của cảm biến siêu âm, thì

vùng quét của siêu âm có thể được phân phân ra làm 3 vùng Vùng 1 là vùng phía ngoài hình quạt, là vùng giường như có vật cản nào đó Vùng 2 là vùng gần tâm quạt, giường như không có vật cản nào Và vùng 3 là vùng còn lại sau vật cản, cho đến vị trí

xa nhất trong tầm quét của siêu âm, đây là vùng chưa biết, vì siêu âm không thể “nhìn” xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này

2.2.3 Các sai số do nhiễu phổ biến với cảm biến siêu âm

 Sai số lặp:

Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường nào, trong đó có cả cảm biến siêu âm Sai số lặp ở cảm biến siêu âm thường nhỏ không đáng kể nên ta không quan tâm nhiều đến sai số này

 Hiện tượng forecasting:

Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến Do nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc với

bề mặt chướng ngại vật cần đo Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới Các chùm tia phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó, cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này Kết quả, thông số đọc

về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn

Hình 2.9 Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật cản

Hình 2.10 Hiện tượng Forecasting

 Hiện tượng crosstalk:

Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình sóng siêu

âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến một cách không mong muốn

Hình 2.11 Hiện tượng đọc chéo

2.3 Phương án thiết kế cho thiết bị đo kích thước

Sau khi tìm hiểu về một số loại cảm biến và thiết bị đo kích thước bằng cảm biến

siêu âm em có đưa ra phương án thiết kế cho đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình thiết

bị đo kích thước sử dụng cảm biến siêu âm” như sau: Đặt cố định cảm biến cách mặt

phẳng (P) với khoảng cách A sao cho đầu phát và đầu thu của cảm biến luôn có hướng vuông góc với mặt phẳng (P).Khi đưa vật cần đo vào không gian ở giữa cảm biến với mặt phẳng (P), giá trị đo được lúc này B (B là khoảng cách giữa đầu dò của cảm biến

với mặt phẳng của vật cần đo gần với cảm biến nhất) Khi đó giá trị kích thước của chi tiết C=A-B

2.4.Kết luận chương

Trong chương này em đã tìm hiểu được sơ lược về sóng siêu âm và một số loại cảm biến siêu âm ( đặc điểm ,tính chất ,nguyên lý đo khoảng cách, thông số kỹ thuật

của cảm biến Ultrasonic SFRX) Từ đó giúp em đưa ra được phương án thiết kế cho

thiết bị đo kích thước sử dụng cảm biến siêu âm

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ HỆ THỐNG ĐO VÀ

XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

3.1 Thiết kế phần cơ khí của thiết bị đo

3.1.1 Giới thiệu phần mền AUTOCAD

Hiện nay thuật ngữ CAD(Computer Aided Desingn) ngày càng trở nên phổ biến trong kỹ thuật nói chung và trong ngành xây dựng nói riêng Nó đã tạo ra một phương

pháp thiết kế mới cho các kiến trúc sư, kỹ sư xây dựng, cơ khí và công trình

Trong tiếng Việt nó có nghĩa là thiết kế trên máy tính hay cùng có thể gọi là thiết

kế với sự hỗ trợ của máy tính Việc thiết kế trên máy vi tính giúp cho bạn có thể lên được nhiều phương án trong một thời gian ngắn và sửa đổi bản vẽ một các nhanh chóng và dễ dàng hơn rất nhiều so với cách làm thủ công Ngoài ra bạn có thể tra hỏi các diện tích, khoảng cách trực tiếp trên máy

AutoCAD là một phần mền thiết kế trên máy vi tính cá nhân được sử dụng tương đối rộng rãi trong các ngành:

 Thiết kế kiến trúc, xây dựng và trang trí nội thất

 Thiết kế hệ thống điện, nước

 Thiết kế cơ khí, chế tạo máy

 Thiết kế hệ thống chiếu sáng cho các công trình văn hóa như trong các rạp chiếu phim, nhà hát

 Thiết lập hệ thống bản đồ, tại Việt Nam AUTOCAD đã từng được biết đến từ trên 10 năm trở lại đây

Tính tiện ích của nó đã ngày càng chinh phục được đông đảo đội ngũ các kỹ sư,

kiến trúc sư thuộc nhiều đơn vị và các ngành nghề khác nhau trong cả nước Cho đến

nay mặc dù các ứng dụng đồ họa phục vụ việc vẽ và thiết kế kỹ thuật đã xuất hiện thêm nhiều chương trình mới, có giao diện hoặc một số tính năng kỹ thuật rất nổi trội, song xét về toàn cục, thật khó có chương trình nào vượt hẳn được AUTOCAD Ngày nay AUTOCAD đá thật sự trở thành một bộ phận khống thể thiếu được đối với rất nhiều đơn vị thiết kế xây dựng và kỹ thuật Việc vẽ và xuất bản vẽ từ AUTOCAD đã

trở thành điều đương nhiên nếu không nói là bắt buộc đối với hầu hết các hồ sơ thiết

kế cơ khí ,xây dựng và công trình

Hình 3.4 Mô hình cơ khí thiết bị đo

3.2 Thiết kế phần mạch cho thiết bị đo

3.2.1 Giới thiệu chung

Nhằm mục đích phục vụ cho việc thiết kế mạch trong đồ án, trong phần này em

sẽ đi tìm hiểu về các mạch điện cơ bản và các linh kiện thông dụng trên thị trường được sử dụng trong thiết kế Trước mắt cần thông suốt nguyên lý làm việc của mạch điện ở từng module, sau đó ghép nối các module thành một hệ thống có thể hoạt động

3.2.2 Giới thiệu về phần mềm OrCad

Phần mềm thiết kế mạch điện tử OrCAD của tập đoàn Cadence được các chuyên viên đánh giá là một trong những phần mềm thiết kế mạch mạnh nhất hiện nay OrCAD đã có mặt và hỗ trợ cho các kỹ thuật viên thiết kế mạch từ rất sớm Từ OrCAD phiên bản 3.2 chạy trên nền DOS cho tới phiên bản 4.0 đã có những cập nhật đáng kể Tiếp đó là phiên bản 7.0 chạy trên nền Window đã làm say mê người thiết kế mạch in chuyên nghiệp, sau đó đã có phiên bản 9.0, 10.5 và mới nhất hiện nay là phiên bản 16.5 Orcad là một phần mềm chuyên dụng rất mạnh với giao diện rất thân thiện, cách sử dụng đơn giản Bạn có thể vẽ mạch nguyên lý với OrCAD Capture, chạy mô phỏng, đặc biệt là chức năng vẽ mạch in rất mạnh với OrCAD layout, cùng với một thư viện linh kiện khổng lồ được hầu hết các nhà sản xuất linh kiện điên tử cung cấp cho OrCAD Có lẽ chúng ta không cần phải bàn tới sức mạnh của nó mà phải quan tâm tới việc làm sao khai thác và sử dụng OrCAD hiệu quả trong việc thiết kế mạch

3.2.3 Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A

 Sơ lược về vi điều khiển PIC 16F877A của Microchip

PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” ( Máy tính khả trình thông minh) PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (độ dài

mã lệnh 12 Bit ví dụ PIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ PIC16Fxxx), tập lệnh bao gồm khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với dòng PIC high-end(

có độ dài mã lệnh 16bit PIC18Fxxxx)

 Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình 3.5 Sơ đồ chân PIC 16F877A

 Sơ đồ khối PIC16F877A

Theo datasheet đi kèm, sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A được thể hiện như hình 3.6 dưới đây

Hình 3.6 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Sơ đồ trên bao gồm các khối:

 Khối ALU – Arithmetic Logic Unit

 Khối bộ nhớ chương trình – Flash program memory

 Khối bộ nhớ dữ liệu EEPROM – Data EEPROM

 Khối bộ nhớ file thanh ghi – RAM file resister

 Khối điều khiển giải mã lệnh – Instruction Decode Control

 Các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR, W resister, status resister

 Khối ngoại vi timer

 Khối giao tiếp nối tiếp

 Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự - số - ADC

 Khối Port xuất nhập

 Thông số kỹ thuật của PIC16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Bộ nhớ chướng trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O.Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

 Timer 0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit