đo khoảng cách bằng sóng siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kimloại hoặc không kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờđục những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh dủ lớn T

LỜI MỞ ĐẦU

Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy ( trên20Khz ) Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âmtrầm ( vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao( gần 20Khz) Một sốloại vật như dơi, ong có thể cảm nhận được sóng siêu âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí các vật thong quaphát sóng siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kimloại hoặc không kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờđục( những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh dủ lớn)

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

- siêu âm dùng để phát hiện các mục tiêu dưới nước nhưthăm dò đáy biển, phát hiện tàu ngầm, đàn cá

- Trong ngành y tế, siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấutrúc nội tạn của cơ thể, chuẩn đoán chính xác khối u, thai nhi

- Siêu âm còn được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật gia côngkim loại Sóng siêu âm là song cơ đàn hồi mang nănglượng, có thể làm sạch bề mặt các chi tiết trước khi gia côngnhư mạ, hàn

- Trong kỹ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phântích tiếng dội khi chum siêu âm được chiếu lên bề mặt kiểmtra có thể giúp ta phát hiện được trạng thái bề mặt và cáckhuyết tật bên trong cấu trúc

- Ngoài ra cảm biến siêu âm dung để điều khiển mực chấtlỏng, đo khoảng cách độ cao hay vị trí vật, dung để pháthiện ra người, phát hiện dây bị đứt, phát hiện xe và nhiềuứng dụng quan trọng khác trong cuộc sống

Vì những ứng dụng phổ biến và quan trọng của cảm biến siêu âm,nên nhóm chúng em quyết định chọn đề tài cảm biến siêu âm làm đồ

án môn học với tên đế tài là đo khoảng cách bằng sóng siêu âm sửdụng dòng cảm biến SRF của hãng Devantech Đây là ứng dụngthường dùng nhất của cảm biến

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH.

hoặc thanh ghi dữ liệu (RS=1)

R/W=0 ghi dữ liệu

EN tác động cạnh lên đọc dữliệu

EN tác đỗng cạch xuống ghi dữliệu

Chế dộ 4 bit thì không có sửdụng

Chế độ 4 bít dùng cho truyển 4bit cao và 4 bít thấp)

-18H Dịch toàn bộ màng hình sang trái

THƯ VIÊN LCD DUNG TRONG CCS LÀ LCD_LIR_4BIT.C

Các lệnh cơ bản của thư viện LCD_LIR_4BIT.C khi sử dụng trongccs

Void LCD_Init(void) ;// Hàm khởi tạo LCD

Void LCD_Setposition( unsigned int cx) ; //Thiết lập vị trí von trỏ

Void LCD_putchar( unsigned int cx ) ;// Hàm viết kiểu 1 kí tự hoặc 1chuỗi lên LCD

Void LCD_putcmd(unsigned int cx ); // Hàm gửi lệnh lên LCD

Void LCD_PulseEnable(void); // Xung kích hoạt

Void LCD_SetData( unsigned int cx ); // Đặt dữ liệu lên chân Data

VẼ MẠCH TRÊN LAYOUT CHẾ ĐỘ 1

Cảm biến SRF05 được tích hợp có thể làm việc ở 2 chế độ

Cảm biến siêu âm SRF05 được hãng Devantech phát triển từSRF04, SRF05 có các đặc tính sau:

SƠ ĐỒ CHÂN CẢM BIẾN:

tương ứng với cảm biến SRF04 (Tách biệt kích hoạt và phảnhồi ) Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chânphản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng Tất cả cácchương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việt cho SRF05 ởchế độ này Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ khôngkết nối SRF05 có một nội trở tr6n chân này để nhận biết chếđộ.

Đặc biệt là SRF05 chỉ có thể nhận xung trên chân trigger tối đa là20Hz, cho nên việc kích xung trên chân trigeer phải phù hợp thìSRF05 mới hoạt động chính xác.

Chế Độ 2:Dùng 1 chân cho cả kích hoạt và phản hồi

SƠ ĐỒ CHÂN CẢM BIẾN

Giản đồ xung:

chế độ này sử dụng 1 chân duy nhất cho cả 2 tín hiệu kích hoạt

và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân này lên

bộ điều khiển Để sử dụng chế độ này, chân chế độ(mode) kếtnối vào chân mát Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng 1chân với tín hiệu kích hoạt SRF05 sẽ không tăng dòng phảnhồi cho đế 700us sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt Bạn

đã có thời gian để kích hoạt chân nhận xung làm cho nó trởthánh một đầu vào

Tính toán khoảng cách:

Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ Bạn chỉcần cung cấp 1 đoạn xung ngắn 10us kích hoạt đầu vào để bắt đầu

đo khoảng cách Các SRF05 sẽ gửi cho ra chu kỳ 8 burst của siêu

âm ờ 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó Sau đó chờ phản hồi,ngay khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại Dòng phản hồi là 1xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng Bằngcách đo xung, ta hoán toán có thể tính toán khoảng cách theo cmhoặc khoảng chác khác nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấphơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30ms

SRF05 cung cấp 1 xung phản hồi tỷ lệ với khoảng cách Sau đó chiacho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm Hoặc chia cho 148 sẽ chokhoảng cách theo inch (us/58=cm hay us/148=inch)

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc 343 m/s.nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạđồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thìmáy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã duy chuyểntrong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lầnkhoảng cách từ cảm biến tới vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.D=V.T/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 nhậnlại

Thông tin của nhà sản xuất:

Khoảng cách= thời gian(us)/58 (cm)

ở đây:

thời gian(us)= (chu kỳ timer1 get_timer1());

chu kỳ timer1 là 1us.( vì timer1 tần số thạch anh /4)

d(cm)= (4* (chia tần)* (get_timer1() – 0)/ ( click(Mhz)*58):

Hiện tượng forecasting:

Hiện tượng forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lẹch củacảm biến để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướngvuông góc với bề mặt chướng ngại vật đó Tuy nhiên, các chướngngại vật không bao giờ là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể khôngtương ứng với góc tới các chùm tia phản xạ này có năng lượng thấphơn Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó, cảm biến siêu âm vẫn cóthể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này Kết quả, thông số đọ

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

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 âmkhác, 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

3 KHỐI PIC16F877A:

-CÁC CHỀ ĐỘ SỬ DỤNG TRONG PIC16F877A

Hàm quản lý ccp chế độ capture;

SETUP_CCP1(mode); // Hàm nay được dủng để khởi động CCP Bộđếm CCP có thể được thực hiện thông qua việc sử dụng CCP_1.CCP hoạt động ở 3 mode

+ capture mode : CCP copy giá trị đếm timer 1 vào CCP_x khicổng vào nhận xung

+ compare mode: CCP thực hiện 1 tác vụ chỉ định trước khitimer1 và CCP_x bằng nhau

+ PWM mode : CCP tạo xung vuông

Ở đây ta chỉ xét chế độ capture:

Đặt CCP ở chế độ capture

CCP_CAPTURE_FE ; //Nhận cạch xuống của xung

CCP_CAPTURE_RE ; // Nhận cạch lên của xung

CCP_CAPTURE_DIV_4 ; // Nhận xung sau 4 xung vào

CCP_CAPTURE_DIV_16; // Nhận xung sau 16 xung vào

#INT_CCP1 // sử dụng ngắt ccp1

ENABLE_INTERRUPTS( ); Hàm này dùng để khởi tạo ngắt

START

HIỂN THỊ LCD

CÓ XUNG CẠCH XUỐNG TRÊN CHÂN

ECHO

ĐỌC GIÁ TRỊ TIMER1 HIỂN THỊ KHOẢNG CÁCH LÊN LCD

TẠO XUNG KÍCH (10US) TRÊN

CHÂN TRIGGER

DÒ CẠCH LÊN

CÓ CẠCH LÊN TRÊN CHÂN ECHO

-Chế độ 1

bề mặt, những chất bột và thậm chí là độ gồ ghề hoặc góc tạo bởichum sóng với bề mặt cần đo đều góp phần tạo những thông tinkhông mong muốn ở tín hiệu phản hồi điều cần thiết là người sửdụng cần phải cân nhắc điều kiện hoạt động sẽ ảnh hưởng thế nàotới sóng âm khi phát ra.

Những yếu tố quan trọng khác cần chú ý khi dùng bộ truyền âm gồm:

qua chất cần đo Thông thường là không khí, nếu môi trướng làchân không lại không phù hợp do trong chân không, không có

đủ số phân tử khí làm giảm khả năng truyền sóng

của chất lỏng có thể hấp thụ sóng âm và làm cản trở sóng phảnhồi về đầu phát

đường thẳng, mặt phản xạ cần là mặt phẳng

thường làm bằng nhựa với nhiệt độ cao nhất cỡ 60°C dĩnhiên, việt thay đổi nhiệt độ sẽ làm phép đo mức kém ching1xác

-• Áp suất làm việc các thiết bị siêu âm thường không tiếp xúc với

áp suất quá cao, giá trị lớn nhất loại cảm biến này có thể chịuđược là 30psi( ~2 bar)

nước, và tạp chất có thể làm thay đổi tốc độ của sóng âm quamôi trường không khí và ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xáccủa tín hiệu hồi đáp Để tránh sai số do môi trường gây ra cầngắn cảm biến vào những vị trí và môi trường có thể dự đoántrước

Lợi ích lớn nhất cùa công nghệ đo mức thong qua môi trường khínhư siêu âm,rada và laze là những thiết bị đo không tiếp xúc vớivật cần đo Chỉ có một vài điểm tín hiệu cần tiếp xúc với bề mặtchất cần đo nhầm tạo ra những tín hiệu phản hồi về cảm biến.điều này giải thích tại sao chất lượng không khí giữa bề mặt chấtlỏng với cảm biến luôn là vấn đề và tại sao chất lượng của bề mặtchất lỏng( hoặc bình chứa) cần luôn được tính đến khi sản xuất vàlắp đặt cảm biến vì mọi nhiễu loạn về tín hiệu sẽ góp phần vào sai