Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống xác định khoảng cách giữa ô tô với chướng ngại vật

MỞ ĐẦU Hệ thống xác định chướng ngại vật là một hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an toàn trên xe hơi, bên cạnh hệ thống túi khí air bag, hệ thống thắng ABS v..v… thì hệ thống xác định

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ĐINH HẢI LÂM

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH GIỮA Ô TÔ

VỚI CHƯỚNG NGẠI VẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC

BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học :

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:

Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Phó Hiệu Trưởng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ

Thuật, TP Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình

thực hiện luận văn

Ban giám hiệu, phòng đào tạo Sau đại học, ban chủ nhiệm khoa Kỹ Thuật

Giao Thông trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo

điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn

Tập thể giảng viên khoa Kỹ Thuật Giao Thông trường Đại học Bách Khoa

Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý

báu cho tôi trong suốt quá trình tôi học Cao Học

Ban Chủ nghiệm và các đồng nghiệp trong Khoa Cơ Điện, Đại học Lạc Hồng

đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Tập thể học viên lớp cao học Kỹ Thuật Ô tô máy kéo Khóa 2007 đã giúp đỡ

tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

MỞ ĐẦU

Hệ thống xác định chướng ngại vật là một hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an

toàn trên xe hơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v v… thì

hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật được lắp trên một số

loại ô tô đắt tiền Vì chi phí chế tạo hệ thống khá đắt nên ở Việt Nam hiện nay, hệ

thống xác định chướng ngại vật (Pre- Crash Safety System) chỉ được trang bị cho xe

Lesus LS460, một dòng xe siêu sang của TOYOTA Hệ thống này có ưu điểm khá

lớn khi điều khiển xe ở tốc độ cao, khi qua đường hoặc khi lùi xe Với những ưu

điểm vượt trội như vậy vấn đề đặt ra làm sao có thể thiết kế hệ thống này với một

giá cả hợp lí và chất lượng không thua kém hệ thống trang bị trên các xe ô tô đắt

tiền Đây là vấn đề cần quan tâm để có thể trang bị hệ thống này cho nhiều dòng xe

khác, không chỉ trên các xe đắt tiền

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN

A MỤC TIÊU

• Xác định loại tìm loại cảm biến đo khoảng cách phù hợp Loại cảm biến này có

khả năng phát hiện ra chướng ngại vật trong một khoảng cách mà lái xe có thể xử lí

an toàn

• Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định chướng ngại vật trên xe sao cho phù hợp

• Bố trí, chế tạo hệ thống có thể hiển thị khoảng cách lên màn hình và điều khiển

được cảm biến chính xác

B Luận văn Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ

ô tô đến chướng ngại vật" có nội dung chủ yếu:

- Tổng quan về các hệ thống phát hiện chướng ngại vật

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán khoảng cách cho cảm biến khi

tín hiệu đưa về

- Dùng phần mềm để lập trình và điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách và

điều khiển cảm biến

- Thiết kế và thi công mô hình

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

™ Nghiên cứu về phương pháp thu và phát của cảm biến siêu âm

™ Nghiên cứu phương pháp tính toán hệ thống khi xe di chuyển trên đường đến

™ Áp dụng tính toán thiết kế mô hình

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

2 Nghiên cứu các hệ thống xác định chướng ngại vật của các hãng xe trên thế giới

3 Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống

4 Phương pháp thực nghiệm và tính toán các kết quả đo

5 Sử dụng đồ thị để đánh giá kết quả của mô hình

6 Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề tài

ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN

- Tính toán các thông số trong cảm biến tránh va chạm

- Đưa ra cách tính toán và xây dựng mô hình về hệ thống cảnh báo va chạm

- Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật

- Điều khiển được cảm biến có khả năng phát hiện chướng ngại vật xa hơn

GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Từ nhu cầu và sự an toàn của người lái khi được trang bị hệ thống có thể phát ra

tín hiệu khi có vật cản trên đường, giúp cho lái xe có thể an tâm khi di chuyển trong

đô thị, cũng như trong quá trình đỗ xe được an toàn góp phần không nhỏ trong quá

trình di chuyển và giảm tai nạn giao thông

PHẦN 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ, CHẾ

TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỪ Ô TÔ ĐẾN CHƯỚNG

NGẠI VẬT

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI

VẬT TRÊN Ô TÔ

Những công nghệ phòng tránh va chạm mới đang dần xuất hiện nhiều hơn trên ô

tô, bắt đầu từ những mẫu xe sang Một số hệ thống an toàn phát ra tín hiệu cảnh báo

bằng âm thanh hoặc hình ảnh để nhắc tài xế có hành động xử lý, trong khi một số

khác sẵn sàng can thiệp vào phanh hoặc hệ thống lái để chỉnh lại xe đi đúng hướng

Hệ thống xác định chướng ngại vật trên ô tô là một trong những hệ thống được sử

dụng khá nhiều hiện nay Theo báo cáo của Viện bảo hiểm an toàn đường bộ Mỹ

(IIHS) thì hệ thống xác định chướng ngại vật này rất hữu ích vì hằng năm có đến

40% tai nạn liên quan đến việc lái xe thiếu tập trung

1.1 Khảo sát một số hệ thống cảnh báo an toàn trên xe

1.1.1 Hệ thống cảnh báo va chạm trước:

Hệ thống này sử dụng radar để phát hiện trường hợp người lái sắp đâm vào thứ gì

đó phía trước Hầu hết các hệ thống đều phát cảnh báo bằng âm thanh bằng âm

thành hoặc đèn chớp, hình ảnh Một số thậm chí có thể tự động rà phanh để giảm

tốc độ của xe

1.1.2 Hỗ trợ phanh khẩn cấp:

Hệ thống này dành cho các trường hợp tài xế nhìn thấy nguy cơ va chạm phía

trước và nhấn phanh nhưng có thể không phanh kịp Nghiên cứu của các nhà sản

xuất chỉ ra rằng nhiều tài xế không đạp được lực phanh tối đa trong trường hợp

khẩn cấp, do ảnh hưởng tâm lý, nên vẫn để xảy ra va chạm dù đã biết trước và hoàn

toàn có thể tránh Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp có khả năng phát hiện các trường

hợp tài xế mất bình tĩnh, như dấu hiệu nhấc chân ga đột ngột Khi đó, hệ thống sẽ

lập tức tự động rà phanh trước và giúp người lái đạt lực phanh tối đa

1.1.3 Hệ thống báo chệch làn đường:

Hệ thống này sử dụng các camera gắn trên xe để phát hiện thời điểm lốp xe bắt

đầu chệch khỏi làn đường đang chạy Máy tính sẽ kiểm tra hệ thống lái và tốc độ xe

để xác định xem việc chạy chệch làn đường là cố ý hay vô tình Nếu máy tính kết

luận rằng đó là vô tình, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng cách làm rung nhẹ

vô-lăng, có thể kèm theo cảnh báo bằng âm thanh

1.1.4 Hệ thống xóa điểm mù:

Hệ thống này cho phép người lái biết có xe ở trong điểm mù - khoảng nằm ngoài

tầm quan sát của gương chiếu hậu, và chớp đèn cảnh báo ở ngay bên gương Với

một số hệ thống, đèn cảnh báo sẽ sáng hơn hoặc chớp nhanh hơn nếu tài xế bật

xi-nhan vào đúng thời điểm hệ thống phát hiện có xe trong điểm mù Một số hệ thống

còn có cả chuông cảnh báo

1.1.5 Đèn pha chiếu sang chủ động:

Phần mềm điều khiển dải chiếu sáng của cụm đèn pha được kết nối với thông tin

truyền từ vô-lăng, để khi xe chuyển hướng, dải chiếu sáng cũng chuyển hướng theo,

giúp tài xế quan sát tốt phía trước ở những góc cua vào buổi tối

1.2 Giới thiệu các hãng xe chế tạo hệ thống báo khoảng cách

Hầu hết các hãng xe lớn hiện nay như Toyota, Ford, Nissan, Mecredes – Benz,

Honda, Volvo… đều có các hệ thống cảnh báo va chạm riêng của mình Hệ thống

được trang bị hết sức hiện đại, nó không những phát hiện được khoảng cách của đối

tượng phát hiện mà còn có thể can thiệp vào hệ thống thắng (Collision Mitigation

Brake System (CMBS)) và hệ thống dây an toàn (Seat-beat Safety) giúp lái xe yên tâm

hơn phía sau tay lái của mình Sau đây xin giới thiệu hệ thống báo khoảng cách của

một số hãng xe trên thế giới

1.2.1 Hệ thống xác định khoảng cách trên xe Lexus LS460 của TOYOTA

Lexus LS460 mới là mẫu xe đầu tiên trang bị hệ thống phát hiện và phản ứng khi

gặp chướng ngại vật cũng như người đi bộ Nếu tài xế không quan sát tình huống và

không kịp phản ứng sau lúc có còi báo động, máy tính sẽ tự tính toán để kích hoạt

phanh, hỗ trợ lái và siết chặt dây an toàn

Hình 1.1: Hệ thống xác định chướng ngại vật của Toyota Lexus LS460

Công nghệ phát hiện chướng ngại vật hoạt động cả ngày lẫn đêm, dựa trên các tín

hiệu thu từ radar gắn trước mũi xe và từ camera hồng ngoại ống kính kép phía trên

kính chắn gió Để cung cấp sóng hồng ngoại, các kỹ sư gắn đèn phát ở cạnh đèn

pha Tia hồng ngoại từ nguồn phát đập vào chướng ngại vật, phản xạ và camera

chịu trách nhiệm thu lại dưới dạng tín hiệu số Đến lượt các tín hiệu số được gửi tới

máy tính trung tâm để xử lý Khoảng cách hiệu dụng tối đa của hệ thống này là 25

m và hoạt động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết

Ngoài hệ thống phát hiện chướng ngại vật, LS460 còn trang bị công nghệ trợ giúp

lái khẩn cấp ESA (Emergency Steering Assist), có tác dụng chọn tỷ số lái tối ưu khi

chiếc xe gặp tình huống nguy hiểm ở tốc độ cao ESA giúp lái xe giữ ổn định hướng

lái, giảm nguy cơ va chạm Hoạt động đồng thời với ESA, hệ thống treo sẽ tăng

cường độ cứng để xe không bị lật còn bộ kiểm soát động lực chọn phương pháp

phanh tối ưu nhằm tránh hiện tượng trượt

Bên cạnh đó, để hệ thống phát hiện chướng ngại vật hoạt động hiệu quả, LS460

còn trang bị công nghệ cảnh báo lái xe DMS (Driver Monitoring System), có khả

năng phát tín hiệu nguy hiểm nếu tài xế không tập trung lái Một camera gắn trên

trục vô-lăng tự động xác định khoảng chuyển động đầu người lái Khi tài xế quay

đầu ra khỏi khoảng cho phép trong thời gian quá lâu, hệ thống sẽ kích hoạt thiết bị

báo động Với thiết bị này, nếu xe “nhìn” thấy chướng ngại vật trước người lái,

DMS sẽ bật đèn báo động, nhấn còi Sau khi báo động mà tài xế không có bất cứ

phản ứng nào, máy tính sẽ tự động phanh để thu hút sự chú ý của anh ta

Trong trường hợp người lái vẫn không có hành động ứng phó, hệ thống tiền an

toàn Pre-crash Safety sẽ hoạt động Pre-crash Safety tính toán xác suất va chạm có

thể xảy ra trong tình huống cụ thể, dựa trên vận tốc xe, hướng quan sát của người lái

và đặc điểm của chướng ngại vật phía trước Nếu các yếu tố trên nằm trong vùng

nguy hiểm, nó sẽ kích hoạt còi báo động, báo đèn phanh đỏ trên màn hình đa dụng

Cùng lúc, bộ hỗ trợ phanh sẽ kích hoạt ở mức áp suất phanh cao nhất, trước khi tài

xế đặt chân lên bàn đạp phanh, còn hệ thống treo bắt đầu gia tăng độ cứng Nếu

nhận thấy va chạm là không thể tránh khỏi, Pre-safety sẽ thắt dây đai an toàn, siết

chặt người ngồi vào ghế, đồng thời tự động phanh

Hình 1.2: Ghế ngồi an toàn trang bị trên LS 460

Ngoài các công nghệ trên, LS460 còn trang bị radar, gắn trên chắn bùn sau, liên

tục quét bề mặt xung quanh khi xe đỗ hoặc di chuyển Nếu thấy va chạm chắc chắn

sẽ xảy ra, nó tự động năng gối đỡ đầu lên tối đa 35 mm và đưa về phía trước tối đa

60 mm để giảm nguy cơ chấn thương cột sống cổ Trên thực tế, các cảm biến gắn

trên ghế đo khoảng cách và điều khiển sao cho gối không va vào đầu hành khách

trước khi va chạm xảy ra Bên cạnh đó, các cảm biến có thể nhận dạng người ngồi

và máy tính sẽ ngắt chức năng trên nếu ghế trống

Hình 1.3: Gối đỡ trên ghế ngồi trước và sau khi va chạm

1.2.2 Hệ thống cảnh báo va chạm của Volvo

Trước thực tế là khoảng 1/3 số vụ tai nạn giao thông tại Mỹ liên quan đến các

trường hợp va đâm sau, trong đó, hơn 50% trường hợp tài xế không kịp phanh,

Volvo đã tập trung nghiên cứu cải tiến công nghệ cảnh báo đâm sau

Trong khi hệ thống Brake Support chỉ sử dụng radar để phát hiện nguy cơ va

chạm, thì hệ thống Auto Brake mới dùng cả radar và camera nên hoạt động hiệu quả

hơn hẳn Tầm quét của radar là 15 m phía trước xe, còn tầm quan sát của camera là

5,5 m Một trong những ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng camera là có thể phát

hiện được các xe đang đứng yên

Hình 1.4: Hệ thống xác định chướng ngại vật gần của Volvo

Hệ thống cảnh báo mới của Volvo - Auto Brake - trước tiên sẽ “nhắc nhở” tài xế

về nguy cơ va chạm và chuẩn bị sẵn sàng phanh Lúc này, đèn cảnh báo màu đỏ sẽ

chớp sáng trên màn hình chiếu thẳng lên kính chắn gió trước, đồng thời sẽ có còi

cảnh báo Nếu tài xế không phanh, trong khi bộ cảm biến phát hiện nguy cơ va

chạm tức thời, hệ thống sẽ tự động kích hoạt phanh Auto Brake được thiết kế nhằm

hạn chế tốc độ xe nếu va chạm, từ đó giảm nguy cơ chấn thương cho người ngồi

trên cả hai xe Tuy nhiên, có một hạn chế là độ nhạy của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng

bởi điều kiện thời tiết và ánh sáng trên đường

1.2.3 Hệ thống quan sát điểm mù của Ford

Ford đã giới thiệu hai công nghệ mới nhất để hỗ trợ cho lái xe quan sát các điểm

mù là “Gương quan sát điểm mù” (Blind Spot Mirror) và hệ thống giám sát điểm

mù (Blind-Spot Monitoring System) Với những tiện ích của các công nghệ mới này

Ford dự định sẽ cho tích hợp ngay trên những model của năm 2009 này

Hình 1.5: Gương quan sát điểm mù của Ford Gương quan sát điểm mù (Blind Spot Mirror ): Thực ra đây là một giải pháp rất

đơn giản và ít tốn kém nhất để giúp lái xe quan sát phía sau, trên gương chiếu hậu

bên ngoài xe gắn thêm một gương cầu lồi nhỏ ở góc trên của gương thông thường,

gương cầu lồi nhỏ này sẽ giúp cho lái xe quan sát được những chiếc xe hoặc vật thể

đang nằm ở vị trí được coi là “điểm mù” (mà gương thông thường không quan sát

được) để giúp lái xe có những xử lý thích hợp

Mặc dù đây là một giải pháp rất đơn giản để hỗ trợ lái xe nhưng theo những

nghiên cứu về thị trường của Ford, hơn 70% khách cho biết họ cảm thấy tự tin hơn

khi lái những chiếc xe lắp loại gương này Bên cạnh gương quan sát điểm mù thì

Ford còn trang bị thêm hệ thống "Cross Traffic Alert", hệ thống này sử dụng rada

được gắn ở hai bên thân xe và phía sau xe để hỗ trợ lái xe khi đi vào bãi đỗ xe

Nhờ sự kết hợp của các hệ thống giúp lái xe có thể nhận biết được các vật thể

trong một phạm vi rất rộng Những rada này có tầm hoạt động rất rộng, nó có thể

phát hiện ra những vật thể nằm cách chiếc xe ở khoảng cách lên tới 19,8 m Khi

phát hiện ra có vật thể hoặc một chiếc xe khác đang áp sát trong phạm vi này hệ

thống sẽ đưa ra cảnh báo tới lái xe bằng cách: làm sáng đèn nhỏ ở trên gương chiếu

hậu đồng thời đưa ra cả âm thanh để cảnh báo, chính điều này làm cho lái xe dù

không thật sự tập trung nhưng vẫn có thể nhận ra được

Hình 1.6: Hệ thống an toàn thông minh của FORD

Ford cho biết những công nghệ này sẽ được tích hợp đồng thời trên các model

của Ford, Lincoln và Mercury giống như một thiết bị tiêu chuẩn và những thiết bị

này sẽ kết hợp cùng với những hệ thống an toàn khác trên xe của Ford như Ford"s

Personal Safety System và Space Architecture để giúp nâng cao tính tiện nghi và an

toàn cho người lái

1.3 Những thành tựu đã đạt được của hệ thống báo khoảng cách

Vào năm 2002, hãng Toyota đã cho giới thiệu hệ thống quan sát ban đêm (Nigh

view) trên xe Land Cruiser Cynus, hệ thống này được trang bị một camera hồng

ngoại có thể quan sát các chướng ngại vật khi đi trong đêm tối, khi hoạt động tầm

xa của hê thống lên đến 30 m, góc nhìn của camera là 300, năm 2003 hệ thống này

được trang bị trên Lexus LX470 Cùng trong năm 2003, hệ thống xác định chướng

ngại vật cũng được trang bị trên các xe của Honda, Mecredes- Benz, trong đó nổi

bật hơn cả là hệ thống Pre-safe của Mecredes- Benz, hệ thống sử dụng một cảm

biến quang, được hiển thị lên LCD phía trước tay lái Nó có khả năng nhận biết các

chướng ngại vật trong tầm 30 m, khi phát hiện đối tượng hệ thống thông báo âm

thanh cho người lái đồng thời can thiệp vào hệ thống thắng, trên ghế ngồi dây đai an

toàn được siết chặt lại Hệ thống này làm tiền đề cho các hãng xe khác nghiên cứu

phát triển thêm cho hệ thống sau này

Theo thời gian hệ thống xác định khoảng cách được phát triển ngày càng mạnh

mẽ Năm 2004, Honda giới thiệu hệ thống quan sát thông minh ban đêm (Intelligent

Night Vision System) có khả năng có khả năng nhận biết làn đường dành cho người

đi bộ vào ban đêm

Năm 2005, Mecredes- Benz đã phát triển hệ thống an toàn thêm camera tùy chỉnh

rất thông minh, có khả năng phát hiện được hình dạng của chướng ngại vật, đồng

thời cải tiến hệ thống giúp tăng khả năng thắng lên 40%, nhờ khả năng tăng hệ

thống thắng này mà người lái sẽ dễ dàng điều khiển được chiếc xe của mình

Năm 2007 là một năm mà Toyota đã phát triển hệ thống này một cách hoàn thiện

Hệ thống Driver Monitoring System được ứng dụng vào xe Lexus LS, sử dụng một

camera CCD thông minh phát tín hiệu về màn hình LCD trước tay lái, đồng thời

gắn thêm hệ thống báo động khi chướng ngại vật đến gần

Năm 2009, Toyota đã cải tiến hệ thống với tên gọi đơn giản Pre-crash Safety

(cảnh báo an toàn trước va chạm), phiên bản mới nhất đã được tích hợp một hệ

thống ra-đa có thể phát hiện những vụ va chạm từ hai bên cũng như hệ thống an

toàn ghế sau trong trường hợp xảy ra tai nạn Hệ thống mới này sử dụng một ra-đa

có độ chính xác tới từng mi-li-mét nhằm sớm phát hiện xe khác hay vật thể di

chuyển tới đường đi của chiếc xe (đặc biệt tại những giao lộ) Nếu hệ thống phát

hiện nguy cơ va chạm lớn, các chức năng an toàn bên trong xe sẽ được kích hoạt để

thông báo cho lái xe, giảm mức độ va chạm và chấn thương cho người sử dụng Bên

cạnh đó, hệ thống này còn bao gồm đai an toàn tự động siết chặt và chức năng hỗ

trợ phanh trước va chạm, cũng như những tính năng mới hơn như hệ thống túi khí

và chức năng cảnh báo bằng âm thanh trong ca-bin

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ CẢM BIẾN SỬ DỤNG ĐO KHOẢNG CÁCH

Các hệ thống cảm biến đều là những bộ biến đổi năng lượng, nó biến năng lượng

từ dạng này sang dạng khác, thông thường là biến đổi tín hiệu từ các đại lượng hông

điện thành các tín hiệu đại lượng có điện Tín hiệu này được phản hồi về bộ điều

khiển, thông qua bộ điều khiển có các quyết định thích hợp

2.1 Phân loại cảm biến

Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, có rất nhiều loại cảm

biến được sử dụng để đo khoảng cách của vật thể Các cảm biến này hoạt động tùy

theo nhiệm vụ và chức năng hoạt động Các loại cảm biến sử dụng để đo vị trí và

khoảng cách được phân loại như sau:

2.1.1 Cảm biến tiệm cận siêu âm:

Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng: kim loại

hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những

vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Hình 2.1 Một vài loại cảm biến tiệm cận siêu âm do Siemens sản xuất

2.1.1.1 Cấu trúc cảm biến tiệm cận siêu âm:

Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính:

• Bộ phận so sánh (Comparator)

• Mạch phát hiện (Detector Circuit): Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ

phân so sánh tính toán khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận

tốc âm thanh

• Mạch điện ngõ ra (Output): Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog Tín

hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện đối tượng trong vùng cảm

nhận của cảm biến Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách

của đối tượng đến cảm biến

Hình 2.2 Các thành phần của cảm biến tiệm cận siêu âm

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Kĩ 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 quãng đường Vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng

dụng đo khoảng cách

Tần số hoạt động: Nhìn chung, các cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25

số từ 5MHz trở lên Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách

phát hiện cảm biến Với tần số 50 kHz, phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên

tới 10 m hoặc hơn, với tần số 200 kHz thì phạm vi hoạt động cảm biến bị giới hạn ở

mức 1 m

Vùng hoạt động: Là khu vực giữa giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ

nhất Cảm biến tiệm cận siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần bề mặt

cảm biến gọi là “khu vực mù” (blind zone)

Hình 2.4 Vùng hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm

Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoảng cách phát

hiện lớn nhất (xem hình 2.5)

Hình 2.5 Khoảng cách hoạt động lớn nhất của cảm biến tiệm cận siêu âm với các

đối tượng khác nhau

Cảm biến tiệm cận siêu âm loại có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện

(Background Suppression) Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều

chỉnh khoảng cách phát hiện, chúng có thể từ chối việc phát hiện các đối tượng sau

một khoảng cách xác định Khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử

dụng Ngoài ra để cảm biến không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào

vùng hoạt động của cảm biến, người ta có thể tạo 1 lớp vỏ bằng chất liệu có khả

năng không phản xạ lại sóng âm thanh

2.1.1.3 Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm

• Ưu điểm

- Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15 m

- Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc của bề mặc 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 siêu âm analog là tỉ lệ tuyến tính với

khoảng cách Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức

của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng

• Nhược điểm

- Cảm biến tiệm cận 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 các 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 thời gian đáp ứng của cảm biến

tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s

- 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 bị giới hạn 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 không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong

không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo

- Nhiệt độ bề mặt của 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 tương ngắn lại và giá trị khoảng cách không chính

xác

Hình 2.6 Vị trí lắp đặt cảm biến siêu âm

Hình 2.7: Đối tượng có bề mặt gồ ghề không yêu cầu cảm biến đặt ở vị trí 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 (xem hình 2.7 và hình 2.8)

Hình 2.8 Đối tượng có bề mặt phẳng yêu cầu cảm biến đặt ở vị trí tạo thành góc phải bằng hoặc nhỏ hơn 30

2.2 Cảm biến quang

2.2.1 Cảm biến quang loại thu phát độc lập

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Cảm biến quang loại thu phát độc lập (through beam) bao gồm hai thành phần

chính đó là bộ phận phát và bộ phận thu (được trình bày như hình bên dưới)

Khi ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát, nó sẽ được truyền đi thẳng Ánh

sáng hồng ngoại này luôn được mã hóa theo một tần số nhất định nào đó, và dĩ

nhiên bộ phận thu chỉ nhận biết được loại ánh sáng hồng ngoại đã được mã hóa theo

tần số, với mục đích tránh sự ảnh hưởng của các nguồn ánh sáng xung quang

Nếu chúng ta đặt bộ phận thu nằm trên đường truyền thẳng của ánh sáng hồng

ngoại này thì bộ phận thu sẽ nhận được ánh sáng và tác động cho tín hiệu ở ngõ ra

Nếu có một vật đi ngang qua làm ngắt đi ánh sáng truyền đến bộ phận thu, thì bộ

phận thu sẽ không thu được ánh sáng, như vậy bộ phận thu sẽ không tác động và

không có tín hiệu ở ngõ ra

Hình 2.9 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang loại thu phát độc

lập

b Khoảng cách phát hiện:

Đối với cảm biến quang loại thu phát độc lập, khoảng cách cài đặt là khoảng

cách tính từ bộ phận phát đến bộ phận thu sao cho bộ phận thu có thể nhận được

ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát Do đó, có thể nói khoảng cách phát

hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt Một số cảm biến của hãng Omron có

khoảng cách phát hiện lên đến 30m

Hình 2.10 Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại thu phát độc lập

Trên thực tế bộ phận phát không phát ra tia một tia sáng truyền thẳng mà phát ra

một tia sáng có đường kính tăng dần

Hình 2.11: Góc phát quang của cảm biến quang loại thu phát độc lập

c Chế độ hoạt động (Dark on và Light on):

Chế độ hoạt động Dark on:

Hình 2.12: Chế độ hoạt động light- on của cảm biến quang loại thu phát độc lập

Chế độ hoạt động light on

Hình 2.13: Chế độ hoạt động Dark- on của cảm biến quang loại thu phát độc lập

d Một số loại cảm biến quang loại thu phát độc lập tiêu biểu

Hình 2.14: Một số hình ảnh thực tế của cảm biến quang loại thu phát độc lập

e Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thu phát của cảm biến: Bụi bẩn nằm trong khu

vực phát thu Bị ảnh hưởng của nước hoặc không khí ẩm

a Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán là loại cảm biến cũng sử dụng nguyên lý

phát thu, nhưng tia hồng ngoại phát ra có góc phát to dần khi ánh sáng đi ra xa

Hình 2.15: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang loại phản xạ

khuếch tán

b Khoảng cách phát hiện

Đối với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách cài đặt là khoảng

cách xa nhất tính từ bộ phận phát – thu đến vật cảm biến sao cho bộ phận thu có thể

nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát Do đó, có thể nói khoảng

cách phát hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt Một số cảm biến của hãng Omron

có khoảng cách phát hiện lên đến 700 mm

Hình 2.16: Khoảng cách cài đặt của cảm biến

c Hình dạng thực tế của cảm biến quang loại phản xạ khếch tán

Hình 2.17: Một số hình ảnh thực tế của cảm biến quang loại khuếch tán

2.3 Cảm biến siêu âm

2.3.1 Cấu tạo cảm biến siêu âm:

Loại cảm biến này phát ra xung siêu âm Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm việc

của cảm biến sẽ xuất hiện sóng phản xạ về đầu thu Cấu trúc của một cảm biến siêu

âm thường được mô tả như sau:

Hình 2.18: Các thành phần cấu tạo bên trong cảm biến siêu âm

Phần tử cơ bản của loại cảm biến này là bộ biến âm thường là gốm áp điện được

bảo vệ bằng một chất nhựa tổng hợp nhằm chống lại sự ẩm ướt, bụi bẩn và các nhân

tố khác của môi trường Bộ thu âm thanh sẽ hứng âm đưa tới bộ biến đổi âm thanh

thành tín hiệu điện Tất cả các thành phần này để trong một vỏ

2.3.2 Cơ sở lý thuyết cảm biến siêu âm

a Cơ sở vật lí siêu âm :

Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn Sóng âm thanh di chuyển với vận tốc thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi

trường Tại nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn v = 300 m /s

Có 3 loại sóng :

f < 16Hz: hạ âm

f = 16 - 20.000 Hz: âm nghe được

f > 20.000 Hz: siêu âm

Tần số, bước sóng và tốc độ truyền sóng λ=c/f Tương tác của siêu âm bao gồm:

phản xạ, tán xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa, sự hấp thụ, sự suy giảm

Trong phần này chúng ta chủ yếu nghiên cứu phần phản xạ:

Sự phản xạ bao gồm:

- Trở kháng âm : Z= ρ.c

1

c k

βρρ

Nếu một trở kháng âm của một môi trường giống như trong môi trường khác, âm

sẽ được truyền từ môi trường này sang môi trường kia Sự khác nhau của trở kháng

âm hai môi trường gây ra hiện tượng một phần âm thanh bị phảm xạ tại mặt phân

cách

- Hệ số phản xạ - ar

- Hệ số phản xạ và hệ số truyền qua :

2 1 2

2 1 2

2 1

2 1 2

2 1

2 1 2

T

z z a

z z

z z

z z

z z a

−

= +

= +

= +

Sự cấu thành mặt phân cách:

Phần trăm khi sóng âm đi từ môi trường có kháng trở cao sang môi trường có

kháng trở thấp và ngược lại là như nhau Phần trăm phản xạ tỉ lệ với bình phương

hiệu trở kháng âm hai môi trường

Tín hiệu phản xạ: Sóng âm có bị phản xạ nhiều lần khi môi trường không

đồng nhất hoặc đi qua nhiều lớp môi trường

Hình 2.20: Tín hiệu phản xạ

- Phản xạ khếch tán:

Hình 2.21 : Phản xạ khếch tán

- Tán xạ

Sự tán xạ hay còn gọi là sự phản xạ không chính xác, sự tán xạ xảy ra khi bề mặt

phân cách nhỏ, nhỏ hơn vài bước sóng Mỗi mặt phân cách hoạt động như một

nguồn âm mới, và âm được phản xạ theo tất cả các hướng Sự tán xạ do các phần tử

nhỏ có kích thước thẳng nhỏ hơn bước sóng gọi là Raylegh, sự tán xạ phụ thuộc vào

tần số theo hàm mũ 2 đến 6

- Tính toán suy giảm

Sự hấp thụ phụ thuộc vào tính chất chùm tia và tính nhớt và thời gian phục hồi của

môi trường

Tốc độ phân tử cực đại u (m/s):

p u c

π ρ

=

Hình 2.22: Đồ thị biễu diễn độ suy giảm của tín hiệu phản xạ

Độ suy giảm được tính như sau :

) ) (

- Cường độ trung bình:

c

p I

Suy giảm, tiêu hao và phản xạ :

Suy giảm = tiêu hao + phản xạ

z: Khoảng cách giữa đầu dò với vật (m)

c: Vận tốc trong môi trường truyền sóng (m/s)

- Cơ sở thiết bị siêu âm bao gồm: tần số, chất áp điện, cấu trúc đầu dò, tần số lặp

xung, độ dài xung, hệ số đầu dò, độ nhạy, chỉ số Q, độ phân giải dọc, dải thông, bề

rộng chùm tia, độ phân giải ngang, trường siêu âm trường gần, trường xa, búp

hướng, hội tụ, thu tín hiệu siêu âm, xử lí tín hiệu, dải rộng, nhiễu

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH

3.1 Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF:

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( time of Flight):

2 t

v

d =

Hình 3.1: Nguyên lý time of flight

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, dường 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 dường như không có chướng ngại vật, còn

các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó

Hình 3.2: 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

dường như không có vật cản nào, và chướng ngại vật nằm ở đâu đó, cách cảm biến

theo hướng phát của cảm biến

Với mỗi ô lưới trong vùng II:

Hình 3.2 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 ra làm 3 vùng Vùng 1 là vùng phía ngoài

hình quạt, là vùng dường như có vật cản nào đó Vùng 2 là vùng gần tâm quạt,

dường 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

3.2 Công thức xác suất Bayes

Đầu những năm 1980, Hans P Moravec và Alberto Elfes đã sử dụng các giá trị

xác suất để đánh giá khả năng bị chiếm bởi chướng ngại vật, và tỉ lệ đó giữa các ô

lưới trên bản đồ Trong công thức Bayes, mô hình cảm biến là một xác suất có điều

kiện có dạng P(s|H) Các xác suất này sau đó được chuyển đổi thành P(H|s) sử

dụng công thức toàn phần Bayes Đầu tiên ta nói về xác suất có điều kiện:

- Các cảm biến siêu âm chỉ có thể nhìn thấy một trong 2 sự kiện là một ô lưới[i, j]

là đã bị chiếm hay còn trống mà thôi

- Gọi H= {H, - H}( H trong chữ Hypothesis, có nghĩa là giả thiết), với H là sự

kiện ô lưới đã bị chiếm, và – H là sự kiện ô lưới còn trống

- Xác suất để H xảy ra được tính bởi P(H), trong đó:

0≤ P(H)≤1 (3.1)

Và H là một tập chỉ gồm 2 sự kiện H và – H, do đó P(- H) được tính khi đã biết

P(H) theo công thức

P(-H)= 1-P(H) (3.2) Đây là công thức xác suất không điều kiện Các xác suất không điều kiện thì

không được quan tâm ở đây, bởi vì chúng không cung cấp cho ta thông tin trước đó

Các thông tin đó lại không tính toán gì tới thông số đọc s của cảm biến (S trong chữ

sense, có nghĩa là cảm nhận) Khi cảm biến siêu âm trả về thông số s, người ta cần

tính toán khả năng của một ô lưới nằm trong vùng quét của cảm biến siêu âm là đã

bị chiếm hay còn trống thì:

P(H|s) + P(-H|s)= 1 (3.3) Với mỗi ô lưới trong vùng I:

β αβ

R r R

P H

β αβ

Trong đó, R là tầm quét xa nhất của cảm biến, β là nửa góc mở của cảm biến, r là

khoảng cách từ cảm biến tới ô lưới đang xét, α là góc lệch giữa trục thẳng góc của

cảm biến đến ô lưới đang xét Thành phần MAX được nhân vào ở công thức (3.4)

thể hiện cho việc không bao giờ chúng ta cho rằng một ô lưới bị chiếm hoàn toàn, vì

như vậy có nghĩa là nó sẽ không bao giờ thay đổi được nữa

Hình 3.3: Vùng ghi nhận từ cảm biến siêu âm

3.3 Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác

Phương pháp này sử dụng một nguồn phát sáng phát ra một chùm tia hẹp đập vào

bề mặt vật thể Do phản xạ, tia sáng chuyển hướng tới bộ thu được đặt cách bộ phát

một khoảng B, góc tia phát sáng tới khoảng B là α

Hình 3.4: Đo khoảng cách bằng phương pháp lượng giác

Nếu D là khoảng cách từ đối tượng đến bộ cảm biến (detector) thì khoảng cách

này được tính như sau:

α

tg B

3.4 Phương pháp xác định khoảng cách bằng đo khoảng thời gian truyền sóng

Trong phương pháp này sử dụng nguồn phát laser xung để phát ra xung sáng với

điều kiện chùm ánh sáng thu đi và chùm sáng về phải đồng trục Khi đó khoảng

cách từ cảm biến đến đối tượng sẽ được tính như sau:

D=T.C/2 Trong đó: D là khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng

C: vận tốc truyền ánh sáng

T: thời gian kể từ khi phát xung cho đến khi nhận được xung

Với công thức này, việc đo khoảng cách D sẽ gặp khó khăn đo là khoảng

thời gian T thường rất nhỏ cỡ Picro giây Thực tế, người ta thường sử dụng phương

pháp đo thời gian trễ giữa sóng phát ra và sóng phản xạ Trong cách này một nguồn

laser sẽ phát liên tục, một bộ đo sẽ thực hiện đo pha giữa hai sóng

Phương pháp đo này được biểu diễn trên hình vẽ sau:

Hình 3.5 Đo khoảng cách bằng đo pha

Trong sơ đồ chùm tia laser phát ra được đưa tới một gương bán mạ, gương này sẽ

chia tia laser bằng hai chùm tia sáng giống nhau Một truyền tới đối tượng, một

truyền tới bộ đo pha Chùm laser truyền tới đối tượng sẽ phản xạ và đi tới bộ đo

pha Bộ đo pha ở đây đóng vai trò là một bộ cảm biến (detector) Gọi L là khoảng

cách từ tia sang chuẩn tới bộ cảm biến, D là khoảng cách từ đối tượng đến gương

bán mạ Khi đo tổng quãng đường đi của laser tới vật thể và quay trở về là:

D’= 2D + L Nếu đối tượng ở gần (D=0), khi đó hai pha của hai tia sáng là như nhau Khi D

tăng thì độ lệch pha tăng dần độ dịch pha giữa hai tia trong trường hợp này sẽ là:

3600 / '= L+θλ

D

Do đó: D=θ.λ/ 2 3600

Cũng cần lưu ý, khi θ=3600 thì bộ đo pha sẽ không phân biệt D’=L+n (với n là số

nguyên) hay D’=L Như vậy cách này chỉ đo với các giá trị lệch pha θ<3600 hay

với khoảng cách 2D <λ

Bên cạnh đo khoảng cách bằng nguồn laser người ta còn đo khoảng cách bằng

nguồn thu phát siêu âm Cũng tương tự với chùm laser, chùm xung siêu âm phát ra

đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng, xung phát ra được thu ở đầu thu siêu âm có

thời gian kéo dài xung tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến đến vật Nếu đo được thời

gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng cách tới vật

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐỀU KHIỂN 8051 VÀ NGÔN

NGỮ LẬP TRÌNH

4.1 Tổng quan về họ vi điều khiển 8051

Vào năm 1971 tập đoàn Intel đã giới thiệu 8080, bộ vi xử lí thành công đầu tiên

Không lâu sau đó Motorola, RCA đã giới thiệu các bộ vi xử lí tương tự Nó nhanh

chóng phát triển và dần dần thay thế các thành phần cơ điện trong các sản phẩm như

máy giặt và các bộ điều khiển đèn giao thông Độ phức tạp, kích thước và khả năng

của các bộ vi điều khiển được tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel

công bố chip 8051, bộ vi điều khiển của họ vi điều khiển MCS-51 Với những tính

năng linh hoạt, 8051 đã trở thành bộ vi điều khiển 8 bit mạnh và linh hoạt nhất, trở

thành bộ vi điều khiển mạnh nhất hiện nay

4.1.1 Cấu trúc và sơ đồ phần cứng:

Vi điều khiển 8051 bao gồm bộ xử lý (Control Unit) bên trong, bộ nhớ RAM và

các thanh ghi, các khối điều khiển số học và điều khiển bộ nhớ Ngoài ra, còn có

các bộ tạo xung nhịp, kênh truyền nối tiếp và song song, các điều khiển ngắt và các

cổng vào ra Có một số lớn các vi điều khiển trong họ 8051 với kiến trúc tương tự

nhau và thành viên trong họ đều có tính tương thích kế thừa với các vi điều khiển ra

đời trước đó Vì điều khiển 8051 có những đặc tính sau :

● Bộ nhớ chương trình 4 kbyte

● Bộ nhớ RAM dùng cho dữ liệu 8 x 256

● 32 đường dẫn vào/ra lập trình được

● Hai nguồn định thời/ bộ đếm 16 bit

● Sáu nguồn ngắt

● Cổng nối tiếp UART lập trình được

● Có thể giao tiếp với bộ nhớ bên ngoài

Cách sắp xếp chân của vi điều khiển 8051 được chỉ ra như hình bên dưới.

Hình 4.1 Cách sắp xếp chân 8051

4.2 Sơ đồ khối của 8051:

Hình 4.2: Sơ đồ khối của 8051

4.3 Hoạt động của các chân:

Hình 4.1 cho ta sơ đồ chân của chip 8051 Mô tả tóm tắt chức năng của từng

chân như sau: 32 chân ( 4 port) trong số 40 chân của 8051 có công dụng xuất/nhập,

tuy nhiên 24 chân ( port 0, 2, 3) trong 32 chân có 2 mục đích (công dụng) Mỗi một

đường có thể hoạt động xuất/nhập hoặc hoạt động như một đường điều khiển hoặc

hoạt động như một đường địa chỉ dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp

32 chân hình thành 4 port 8-bit Với các thiết kế yêu cầu một mức tối thiểu bộ

nhớ ngoài hoặc các thành phần bên ngoài khác, ta có thể sử dụng các port này làm

nhiệm vụ xuất /nhập 8 đường cho mỗi port có thể được xử lý như một đơn vị giao

tiếp với các thiết bị song song như máy in, bộ biến đổi D - A,v.v…hoặc mỗi đường

có thể hoạt động độc lập giao tiếp với một thiết bị đơn bit như chuyển mạch, LED,

BJT, FET cuộn dây, động cơ, loa v.v

Chân 9 ( RST- RESET ): Ngõ vào RST (chân 9) là ngõ vào xoá chính của 8051

dùng để thiết lập lại trạng thái ban đầu cho hệ thống hay gọi tắt là reset hệ thống

Khi ngõ vào này được treo ở logic 1 tối thiểu hai chân chu kỳ máy, các thanh ghi

bên trong của 8051 được nạp các giá trị thích hợp cho việc khởi động lại hệ thống

Chân 18 (XTAL1): Là ngõ ra của tầng khuếch đại, và chân số 19(XTAL2) là ngõ

vào Người ta dùng tầng khuếch đại này với tầng hồi tiếp thuận sẽ tạo thành một

mạch dao động, mạch dao động này tạo ra xung nhịp chính (master clock) để chạy

các chương trình có trong IC8051, tần số xung nhịp lấy theo tụ thạch anh mắc trên

chân 18 và 19 Nếu dùng thạch anh 12MHz thì xung nhịp chính có tần số là

12MHz/12 = 1MHz tức là xung nhịp này có chu kỳ là 1µs Các tụ được gắn thêm để

ổn định

Chân 20 (GND) : Chân này cho nối mass để lấy dòng

Chân 29 (PSEN): 8051 cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus Tín hiệu cho

phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình PSEN là tín hiệu xuất trên chân 29 đây là tín

hiệu điều khiển cho phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường

nối với chân cho phép xuất OE của EPROM ( hoặc ROM ) để cho phép đọc các

byte lệnh

Chân 30 (ALE): 8051 sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ

ALE để giải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ

Chân 31 (/EA-External Access): Có thể được nối với 5V ( logic 1) hoặc với GND

(logic 0) Nếu chân này nối lên 5V, 8051 thực thi chương trình trong ROM nội Nếu

chân này nối với GND, chương trình cần thực thi chứa ở bộ nhớ ngoài

Chân 40 (Vcc) : đặt điện áp 5v cho IC 8051 hoạt động

Port 0 ( các chân từ 32 đến 39 trên 8051): Có 2 công dụng Trong các thiết kế có

ứng dụng nhỏ, port 0 được sử dụng làm nhiệm vụ xuất.nhập Trong các thiết kế lớn

hơn có bộ nhớ ngoài, port 0 trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp

Port 1 (các chân từ 1 đến 8 trên 8051): Chỉ có công dụng là xuất/nhập Các chân

của port 1 được dùng để giao tiếp với thiết bị bên ngoài khi có yêu cầu Không có

chức năng nào khác gán cho các chân của port 1, nghĩa là chúng chỉ được sử dụng

để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

Port 2 (các chân từ 21 đến 28 trên 8051): Có 2 công dụng, hoặc làm nhiệm vụ

xuất/nhập hoặc làm byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16-bit cho các thiết kế có bộ

nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu

ngoài

Port 3 (các chân từ 10 đến 17 trên 8051) : có 2 công dụng, khi không hoạt động

xuất/nhập, các chân của port 3 có nhiều chức năng riêng