Đồ án thiết kế mạch điện tử

đồ án mạch điện tử có sẵn code, sử dụng arduino và cảm biến siêu âmdành cho các sinh viên khối ngành điện tử viễn thông công nghệ thông tin nghành tự động hóathuận lợi cho viêc nghiên cứu khoa học . Làm đồ án tốt nghiệp

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

HỆ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

KHOA : ĐIỆN TỬ 2 KHÓA : 2013-2018

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC

TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM CÓ HIỂN

THỊ MỰC NƯỚC Sinh viên thực hiện:

Nhóm: 7

Lớp : D13CQDT01

Nhiệm vụ đồ án:

- Tìm hiểu về nguyên tắc thu phát của cảm biến siêu âm

+ Khái niệm+ Nguyên tắc hoạt động

- Giới thiệu các linh kiện dùng trong mạch

+ Board Arduino+ Cảm biến siêu âm Srf 05+ LCD

+ Motor+Tranzitor C1815+ Relay

- Ngày giao đồ án : 21/01/2016

- Ngày hoàn thành đồ án : 24/03/2016

BỘ CẢMBIẾN

BỘ NGUỒN

BỘ ĐỘNG CƠ

BỘ XỬ LÍ

HIỂN THỊLCD

- Tiến độ thực hiện:

Tuần 1: Chia nhóm chọn đề tài, tìm tham khảo tài liệu Tuần 2: Nộp danh sách, đề cương

Tuần 3: Kết quả nghiên cứu lý thuyết Tuần 4: Kết quả thiết kế

Tuần 5: Kết quả mô phỏng

Tuần 6: Kết quả thi công

Tuần 7: Test mạch, hiệu chỉnh mạch và soạn slide

Tuần 8: Nộp đồ án (quyển và file) + bảo vệ đồ án

- Ngày báo cáo đồ án (dự kiến): 17/03/2016

Họ tên GV hướng dẫn: Th.S Trần Quang Thuận

Nội dung và yêu cầu của đồ án đã được thông qua

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HUỚNG DẪN

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU : GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC

LỜI MỞ ĐẦU

Trước tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu trường Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông TpHCM đã tạo điều kiện cho chúng em có một môi trường học tập tốt với cơ sở khang trang đầy đủ tiện nghi, tạo điệu kiện thuận lợi cho việc học tập và làm đồ án của nhóm em

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn tận tình, tạo nhiều điều kiện, phát huy cho em tính tự học, tự tìm hiểu và khảo sát các linh kiện điện tử và cách thức hoạt động cùa chúng; hình thành cho chúng em phương pháp nghiên cứu, tìm tòi, tiếp cận với các công nghệ vi điều khiển.Trau dồi cho tụi em kỹ năng học tập năng động và sáng tạo, giúp cho chúng em tiếp cận các hệ thống xử lý thông minh trong thực tế một cách thiết thực hơn Không có gì quý giá hơn lời cảm ơn, lời cảm ơn chân thành và kính trọng xin gửi đến các quý thầy cô giáo

Tự học và nghiên cứu là một vấn đề quan trọng không thể thiếu trong sự nghịêp học

vô bờ Đồ án này được xây dựng dựa trên những hiểu biết của cả nhóm em có được từ việc đọc và dịch các tài liệu có liên quan, từ đó đúc kết nên theo cách hiểu của riêng mình Bố cục của đồ án này gồm có 3 phần :

 Phần mở đầu : Giới thiệu sơ lược đề tài

 Phần nội dung : Cảm biến siêu âm SRF05 và giao tiếp của SRF05, LCD và motor với board Arduino Uno R3

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

I. MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Pepperl Fuchs sensor Sick sensor

HC-SR04 Honeywell sensor

Hình 1.1 Một số loại cảm biến siêu âm.

Sóng siêu âm (sonar) là một loại sóng cao tầng mà con người không thể nghe thấy được Tuy nhiên, ta có thể thấy được sự hiện diện của sóng siêu âm ở khắp mọi nơi trong tự nhiên Ta có các loài động vật như dơi, cá heo dùng sóng siêu âm để liên lạc với nhau, để săn mồi hay định vị trong không gian

Dựa trên việc quan sát các quan sát hoạt động của chúng, ta thấy được nguyên tắc mà các loài vật sử dụng sóng âm để định vị rất đơn giản, có thể tóm gọn trong 3 bước sau:

1 Vật chủ phát ra sóng âm

2 Sóng âm này va chạm với môi trường xung quanh và phản xạ lại

Dựa vào thời gian phát / thu, khoảng cách giữa vật chủ và môi trường xung quanh được tính

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Việc tính toán khoảng cách cũng còn phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền dẫn, ví dụ như sóng âm truyền trong môi trường nước hay kim loại sẽ nhanh hơn rất nhiều so với sóng âm được truyền trong môi trường không khí Lưu ý

là sóng âm không thể truyền được trong môi trường chân không

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

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

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 ngoại 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:

d = v • t/2

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

1.2 Tầm quét của cảm biến siêu âm :

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 c hướng ngại vật nằm ở đâu đó

Hình 1.3 Tầm quét của cảm biến siêu âm

1.3 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Sensor

Cảm biến

Communi

cation Thông tin

Range Range Angle

* Angle

Notes Ghi chú

Minimu

m Tối thiểu

Maxim

um Tối đaSRF02

3 m 3 m

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

each new ranging Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau

A: These sensors are smaller than the typical (SRF 04 / 05 / 08) size A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04 / 08) kích thước

B: Range time can be adjusted down by adjusting the gain B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được

C: This sensor also includes a photocell on the front for light detection C: cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng

D: Operates at a higher 235kHz frequency D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ LOẠI BOARD ARDUINO

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ LOẠI BOARD ARDUINO

Hình 2.1 Một số loại aduino hiện nay

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

PHẦN NỘI DUNG :

CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05, LCD, Motor VÀ BOARD ARDUINO UNO R3

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

3.1 Giới thiệu

Cảm biến siêu âm SRF05: thiết bị gồm có 2 loa - thu và phát - cùng với 5 chân để kết nối với Arduino Theo tài liệu của nhà sản xuất thì tầm hoạt động tối đa của cảm biến này nằm trong khoảng 4m

Đặc điểm kỹ thuật:

Các cảm biến siêu âm tầm SRF005 phát hiện các đối tượng và con đường do được sử dụng để tính toán phạm vi đối tượng Nó đủ nhạy cảm để phát hiện một đường > 3cm ; ở một khoảng cách <4m

Các mô-đun có thể được sử dụng trong hai chế độ khác nhau:

Single Pin; Dual Pin

Chức năng của các chân này như sau:

1 Vcc: cấp nguồn cho cảm biến

2 Trigger: kích hoạt quá trình phát sóng âm Quá trình kích hoạt khi một chu kì điện cao / thấp diễn ra

3 Echo: bình thường sẽ ở trạng thái 0V, được kích hoạt lên 5V ngay khi có tín hiệu trả về, sau đó trở về 0V

4 Gnd: nối với cực âm của mạch

5 OUT: không sử dụng

The SRF05 is an evolutionary step from the SRF04, and has been designed to increase flexibility, increase range, and to reduce costs still further.+ SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí As such, the SRF05 is fully compatible with the SRF04

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

+ SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm giá trị trên chân điều khiển When the mode pin is left unconnected, the SRF05 operates with separate trigger and echo pins, like the SRF04 Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04 The SRF05 includes a small delay before the echo pulse to give slower controllers such as the Basic Stamp and Picaxe time to execute their pulse in commands.SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh

3.2 Các chế độ của SRF05

Hình 3.1 Các chế độ của SRF05

3.2.1 Chế độ 1 : Tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi

This mode uses separate trigger and echo pins, and is the simplest mode to use All code examples for the SRF04 will work for the SRF05 in this mode Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này To use this mode, just leave the mode pin unconnected - the SRF05 has an internal pull up resistor on this pin Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết nối - SRF05 có một nội dừng trên chân này

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

Hình 3.2 Giản đồ định thời SRF05 ở chế độ 1

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

3.2.2 Chế độ 2 – Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi

This mode uses a single pin for both Trigger and Echo signals, and is designed to save valuable pins on embedded controllers Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng To use this mode, connect the mode pin to the 0v Ground pin Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối vào chân mass The echo signal will appear on the same pin as the trigger signal Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt

SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt You have that long to turn the trigger pin around and make it an input and to have your pulse measuring code ready

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

Hình 3.2 Giản đồ định thời SRF05 ở chế độ 2

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

SRF05 = 0 ' start with pin lowCalculating the Distance+Tính toán khoảng cách :

The SRF05 Timing diagrams are shown above for each mode.Giản đồ định thời SRF05 thể hiện ở hai chế độ trênYou only need to supply a short 10uS pulse to the trigger input to start the ranging.; Chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách.The SRF05 will send out an 8 cycle burst of ultrasound at 40khz and raise its echo line high (or trigger line in mode 2) It then listens for an echo, and as soon as it detects one it lowers the echo line again Các SRF05 sẽ cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó (hoặc kích hoạt chế độ dòng 2) Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện

nó giảm các dòng phản hồi lại The echo line is therefore a pulse whose width is proportional to the distance to the object Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng tỷ

lệ với khoảng cách đến đối tượng By timing the pulse it is possible to calculate the range in inches/centimeters or anything else Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể

để tính toán khoảng cách theo inch / centimét hoặc đơn vị đo khác If nothing is detected then the SRF05 will lower its echo line anyway after about 30mS Nếu không phát hiện gì thì SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30mS

The SRF05 can be triggered as fast as every 50mS, or 20 times each second You should wait 50ms before the next trigger, even if the SRF05 detects a close object and the echo pulse is shorter SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây Nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn This is to ensure the ultrasonic "beep" has faded away and will not cause a false echo on the next ranging.Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp

The other set of 5 pins +Các thiết lập khác của chân 5

The 5 pins marked "programming pins" are used once only during manufacture to program the Flash memory on the PIC16F630 chip Chân 5 được đóng nhãn là

"programming pins" được sử dụng một lần duy nhất trong quá trình sản xuất để lập trình cho bộ nhớ Flash trên chip PIC16F630 The PIC16F630's programming pins are also used for other functions on the SRF05, so make sure you don't connect anything

to these pins, or you will disrupt the modules operation.Các chương trình của PIC16F630 pins cũng được sử dụng cho các chức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn rằng không kết nối bất cứ cái gì với các chân này, nếu không sẽ làm gián đoạn hoạt động mô-đun

Changing beam pattern and beam width +Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm

You can't!Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05 được biểu diễn bên dưới:

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

Hình 3.3 Chùm sóng phát ra của cảm biến

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

3.3.Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 :

+ 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 số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại By timing how long it takes for the echo to return, an accurate estimate can be made of the distance to the object Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng The sound pulse generated by the SRF05 is ultrasonic, meaning that it is above the range of human hearing Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người While lower frequencies could be used in this type of application, higher frequencies perform better for short range, high precision needs Trong khi tần số thấp hơn 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

Hình 3.4 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm của SRF05

+ Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05

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

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05

+ Vùng phát hiện của SRF05

There are two constraints in this scenario to consider If the threshold for object

detection is set too close to the sensor then objects on a collision path might be in a blind spot - Nếu ngưỡng để phát hiện đối tượng được đặt quá gần với cảm biến, các đối tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù If the threshold is set at too great a distance from the sensor then objects will be detected which are not on a collision path (assuming that the width of the robot is less than a meter).Nếu ngưỡng này được đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì các đối tượng sẽ được phát hiện mà không phải là trên một đường va chạm

Hình 3.5 Vùng phát hiện của SRF05

- 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 SRF05 bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước If the setup is such that there is a region where the two detection zones overlap, then an algorithm can be established around four possible states according to the following truth table:Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau