Thiết kế mạch cảnh báo khoảng cách

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, điện tử đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và đã mang lại hiệu quả kinh tế cao.. Chân số 2 TRIGG

Lời nói đầu

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng trở nên phổ biến hơn, nhất là với thời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, điện tử đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và đã mang lại hiệu quả kinh tế cao Đặc biệt từ khi ra đời các linh kiện bán dẫn với độ tích hợp cao thì điện tử ngày càng khẳng định được vị thế của mình trong đời sống

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học công nghệcủa cuộc sống hiện đại, em cũng có mong muốn góp thêm phần nào vào sự phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩm có ích cho cuộc sống Emxin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống của chúng ta: “Mạch cảnh báo khoảng cách’

Thông qua đề tài này chúng em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang của mình trên con đường đã chọn trong tương lai

Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu tham khảo có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, các bạn và đặc biệt là với sự hướng dẫn tận tình của cô Trịnh Thị Nga em đã hoàn thành được đồ án môn học lần này

Nội dung

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1.1 Lý do chọn đề tài 4

1.2 Yêu cầu của đề tài 4

1.3 Phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 5

2.1 Sơ đồ khối 5

2.2 Chức năng các khối 5

2.2.1 Khối nguồn 5

2.2.2 Khối phát xung 6

2.2.4 Khối phát tín hiệu 13

2.3 Thiết kế mạch 14

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 14

2.3.2 Mạch in 14

2.3.3 Thiết kế mạch trên phần mềm 15

2.3.4 Nguyên lý mạch 16

CHƯƠNG III.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 20

3.1 Kết luận 20

3.2 Phương hướng phát triển 20

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay do công nghệ đang ngày càng phát triển và đời sống của con người đang dần được cải thiện tốt hơn rất nhiều Nhu cầu sử dụng xe hơi đang dần trở nên phổ biến ở khắp mọi nơi, đi cùng đó là những tình huống khó xử lý với xe hơi và cụ thể ở đây là những pha xử lý lùi xe và đỗ xe Khi mà tài xế không thể nhìn được chính xác khoảng cách của xe mình với các vật thể ngay đuôi xe nên việc va chạm của xe hơi với những vật thế khác là có thể xảy ra Xe hơi là một phương tiện đắt tiền nên mỗi lần bị trầy xước hay hỏng hóc thì chi phí sửa chữa rất cao( tùy từng loại xe mà phí sửa chữa có thể lên tới cả trăm triệu)

Nhận thấy được sự bất tiện đó, nhóm chúng tôi quyết định tìm hiểu và thiết kế một thiết bị có khả năng giúp đỡ người lái xe có thể nhận biết và giữ khoảng cách an toàn cho phần đuôi xe, tránh gây va chạm

1.2 Yêu cầu của đề tài

Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo khoảng cách

Thiết kế mạch

Sử dụng cảm biến HCSR04

1.3 Phạm vi nghiên cứu

+ Sóng siêu âm và cảm biến siêu âm

1.4 Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp tham khảo tài liệu: chọn lọc những tài liệu, kiến thức liên quan để vận dụng vào đề tài thông qua các tài liệu chuyên ngành và mạng internet

+ Thực nghiệm: Thực hiện lắp đặt trực tiếp để có kết quả chính xác và cái nhìn tổng quan

+ Mô phỏng trên các phần mềm hỗ trợ

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Sơ đồ khối

Khối tạo

xung

Khối cảmbiến

Khối nguồn DC 5V

Hình 2 Khối nguồn 5V

Nguồn cung cấp cho toàn mạch là nguồn 5V 1 chiều Sử dụng nguồn có tính ổn định cao để mạch hoạt động trơn tru, không bị gián đoạn

Trong đó LM 7805 là IC ổn áp

C1 tụ lọc nguồn đầu vào

C2 tụ lọc nguồn đầu ra

Led báo dòng

Cầu diode là một mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoaychiều thành 1

2.2.2 Khối phát xung

Sử dụng IC 555 tạo xung vuông

Hình 3 IC NE555

- Thông số:

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V

+ Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

- Chức năng trong mạch:

Tạo các xung Trigger liên tục cấp cho cảm biến siêu âm

- Chức năng các chân:

Hình 4 Các chân IC NE555

+ Chân 1 (ground) là chân nối mass để tạo dòng điện ,nếu không nối mass thì ic sẽkhông làm việc theo ý muốn

+ Chân 2 (Trigger) Đây là chân so sánh với mức áp chuẩn là 1/3 Vcc Nếu chânnày lớn hơn 1/3Vcc thì sẽ cho ra tín hiệu S = 0 và nếu nhỏ hơn 1/3Vcc thì sẽ cho ra

là S = 1

+ Chân 3 (Output) : Chân tín hiệu ra ở dạng xung vuông

+ Chân 4 (Reset) Chân này tích cực ở mức thấp khi nối lên dương nguồn thì Ic hoạtđộng bình thường còn khi ở mức thấp thì nó sẽ xóa về 0

+ Chân 5 ( Control Voltage) Chân này là chân điều chỉnh điện áp ,chân này chỉdùng để điều chỉnh độ rộng của Ic 555 nếu nó làm nhiệm vụ điều chế độ rộng củaxung còn nếu làm việc ở mạch dao động hoặc trì hoãn thì chân này có thể bỏ hởhoặc mắc thêm 1 con tụ để chống nhiễu

+ Chân 6 ( Threshold) Chân so sánh mức áp chuẩn 2/3 Vcc.Nếu chân này lớn2/3Vcc thì sẽ cho ra tín hiệu S = 1 và nhỏ hơn thì sẽ cho ra S = 0

+ Chân 7 (Discharge) Chân có chức năng để xả tụ khi nó làm việc ở chế độ daođộng và trì hoãn

+ Chân 8 (Vcc) Đây là chân cấp nguồn nuôi.Bất kì một Ic nào muốn làm việc thìphải có nguồn nuôi cấp cho nó Ic 555 cũng vậy nó được cấp nguồn trong khoảng

từ 5V đến 15V

Hình 6 Sơ đồ chân IC NE555

IC NE555 sẽ điều chỉnh độ rộng của xung qua biến trở

- Nguyên lý hoạt động của IC 555

Khi điện áp ở chân số 2 (TRIG) ở dưới mức kích thì mạch Flip – Flop sẽ ở trạng thái Set (mức 1) làm cho gõ ra (OUT) ở mức cao (mức 1) Khi điện áp ở chân TRIG của IC 555 ở trên mức kích và đồng thời chân ngưỡng (THRES – chân 6) ở trên mức ngưỡng thì tự động mạch Flip – Flop sẽ bị reset về mức 0 và từ đó sẽ làm cho đầu ra output xuống mức 0

Ngoài ra, khi chân RESET (chân 4) xuống mức thấp thì mạch Flip – Flop cũng sẽ

bị reset khiến cho đầu ra (OUT) xuống mức 0 Khi đầu ra ở mức 0 thì lúc này DISCH (chân 7) sẽ được nối với GND

+ Chức năng hoạt động của các chân

Chân 1 (GND): Chân nối GND để giúp cung cấp dòng cho IC hay còn được gọi là mass chung

Chân số 2 (TRIGGER): Được biết đến là chân đầu vào thấp hơn so với điện áp so sánh và được sử dụng giống như 1 chân chốt của một tần số áp Mạch so sánh ở đây được sử dụng là các Transistor PNP với điện áp chuẩn là ⅔ Vcc

Chân số 3 (OUTPUT): Đây là chân được lấy tín hiệu logic đầu ra Trạng thái tín hiệu ở chân số 3 này được xác định ở mức thấp (mức 0) và mức cao (mức 1) Chân số 4 (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu ra của IC 555 Khi chân 4 được nối với Mass thì OUTPUT sẽ ở mức 0 Còn khi chân 4 ở mức cao thì trạng thái đầu ra sẽ phụ thuộc theo mức áp trên chân số 2 và chân số 6 Trong trường hợp, muốn tạo dao động thường chân này sẽ được nối trực tiếp với nguồn Vcc.Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Chân này được sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng ở các điện trở ngoài nối với chân số 1 GND

Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào để so sánh điện áp

và cũng được dùng như một chân chốt

Chân số 7 (DISCHAGER): Đây được coi như một khóa điện tử và chịu tác động điều khiển từ tầng logic của chân 3 Khi đầu ra là chân OUTPUT ở mức 0 thì khóa

này sẽ được đóng và ngược lại Chân số 7 có nhiệm vụ tự nạp và xả điện cho mạch R-C

Chân số 8 (Vcc): Đây chính là nguồn cấp cho IC 555 hoạt động Chân 8 có thể được cung cấp với mức điện áp dao động từ 2 – 18V

2.2.3 Khối cảm biến

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một dạng cảm biến module Cảm biến này thường chỉ là một bản mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm bởi 2 chiếc loa cao tần

+ Dòng tiêu thụ : nhỏ hơn 2mA

+ Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) và LOW (0V)

+ Khoảng cách đo: 2cm - 300cm (3 mét)

+ Độ chính xác: 0.5cm

- Cấu tạo :

Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần:

- Bộ phận phát sóng siêu âm:

Cấu tạo của các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao ở tần số thường là 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách

Hình 8 Phát sóng trên cảm biến siêu âm HCSR04

- Về nguyên lý, các loa này cần có nguồn điện áp cao mới phát tốt được ( nhà sản xuất công bố = 30V) Trên mạch công suất sử dụng IC MAX232 làm nhiệm vụ đệm IC này sẽ lấy tín hiệu từ bộ điều khiển, khuếch đại biên độ lên mức +/-30V cấp nguồn cho bộ loa trên IC này sẽ được đóng ngắt qua một transistor để hạn chế việc tiêu thụ dòng

- Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ

Thiết bị thu là dạng loa gốm có cấu tạo chỉ nhạy với một tần số chẳng hạn như 40KHz Qua một loạt các linh kiện như OPAM TL072, transistor

NPN…Tín hiệu này liên tục được khuếch đại biên độ và cuối cùng là đưa qua một bộ so sánh, kết hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển để đưa về bộ điều khiển

- Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu

Vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) được sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính toán thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu âm nếunhận được tín hiệu TRIG

- Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04

Ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Tiếp theo, 1 xung HIGH

ở chân Echo sẽ được cảm biến tạo ra và phát đi cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở chân này Lúc này, độ rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến và phản xạ lại

Hình 9 Cảm biến siêu âm HC SR04

T : Loa phát sóng siêu âm

2.2.4 Khối phát tín hiệu

Hình 10 Còi buzzer thụ động

Bộ rung thụ động yêu cầu tín hiệu AC để tạo ra âm thanh Nó giống như một loa điện từ, nơi tín hiệu đầu vào thay đổi tạo ra âm thanh, thay vì tự động tạo ra âm thanh

Một chân của còi nối với dương nguồn, chân còn lại nối với chân Echo của cảm biến Khi có tín hiệu sóng vuông từ 2K-5K còi sẽ phát ra tiếng, tần số âm thanh phụthuộc và tần số của sóng

Khi cảm biến phát tín hiệu tới vật cản và quay trở lại, chân Echo sẽ tạo ra một sóngdao động sóng này sẽ được truyền trực tiếp đến còi đề phát tín hiệu

2.3.3 Thiết kế mạch trên phần mềm

Hình 13 Mô hình 3D

2.3.4 Nguyên lý mạch

Nguyên lý mạch:

Hình 14 Dạng sóng ngõ ra và dạng sóng của tụ C trong quá trình nạp xả luôn

phiên

Hình 15 Sơ đồ nguyên lí IC 555

Một bộ định thời 555 có hai bộ so sánh (về cơ bản là 2 op-amps), một flip-flop R-S,

hai trasistor và một mạng điện trở.

Mạng điện trở bao gồm ba điện trở bằng nhau (mỗi điện trở 5K Ohms) và hoạt động như một bộ chia điện áp Lưu ý rằng mạng điện trở được thiết kế sao cho điện

áp ở cực nghịch của Bộ so sánh 1 sẽ là 2 / 3Vcc và điện áp ở cực không đảo của Bộ

so sánh 2 sẽ là 1 / 3Vcc

Bộ so sánh 1 - so sánh điện áp ngưỡng (ở chân 6) với điện áp tham chiếu + 2/3 volt

Giả sử mạch được cấp nguồn và ngay bây giờ trạng thái ở đầu ra lật không đảo ngược - Q THẤP Khi Q ở mức THẤP, Vout sẽ ở mức CAO (mà chúng ta gọi là Đầu ra hẹn giờ) Bạn thấy rằng Q được kết nối trực tiếp với đế của transistor (tại đầu cực xả) Vì vậy, khi Q ở mức THẤP, bóng bán dẫn sẽ ở trạng thái cắt (trạng thái TẮT) Ở trạng thái này, tụ C được kết nối trực tiếp với nguồn điện Vcc thông qua các điện trở RA và RB Vì vậy, tụ điện sẽ bắt đầu sạc về phía điện áp cung cấp Vcc và hằng số thời gian sạc sẽ được xác định bởi các giá trị RA và RB là (RA + RB) * C Các tụ điện sẽ sạc về phía Vcc và điều này sẽ làm tăng điện áp ngưỡng (điện áp trên chân 6) của IC 555 Khi tụ tích điện lên tới 2 / 3Vcc và hơn thế nữa, điện áp ngưỡng cũng sẽ vượt qua mức 2 / 3Vcc và điều này sẽ buộc đầu ra op amp (bộ so sánh 1) ở mức CAO (lưu ý rằng điện áp tham chiếu tại - đầu cuối của bộ so sánh 1 là 2 / 3Vcc) Vì đầu ra op amp của bộ so sánh 1 được kết nối 'S' (đầu vào SET) của flip flop, nên flip flop sẽ được kích hoạt và đầu ra Q (đầu ra không đảo ngược) của flip flop sẽ chuyển sang CAO Bạn đã nhận được lên này? Bạn có thể nhớ lại rằng chúng tôi đã bắt đầu giải thích này bằng cách giả sử Q là THẤP ban đầu Bây giờ là kết quả của việc sạc tụ điện, Q đã tự động chuyển CAO từ THẤP Khi Q lên CAO, Vout sẽ tự động chuyển sang THẤP

Khi Q ở mức CAO, bóng bán dẫn ở chân 7 (cực xả) sẽ được BẬT và bóng bán dẫn

sẽ bị bão hòa Khi bóng bán dẫn được bão hòa, chân 7Â (đầu cực phóng điện) sẽ đóng vai trò là mặt đất cho tụ điện Kết quả là, một đường dẫn mới có sẵn để tụ phóng điện từ mức 2 / 3Vcc xuống 0 volt Tụ điện sẽ bắt đầu phóng điện qua đườngdẫn mới (thông qua RB) và điều này sẽ dẫn đến việc giảm điện áp trên cực kích hoạt (chân 2) của 555 IC Hằng số thời gian xả được xác định bởi RB * C Khi tụ phóng điện xuống mức dưới 1 / 3Vcc, dẫn đến cùng một điện áp (điện áp của tụ) trên đầu cực kích hoạt (lưu ý rằng điện áp đầu vào tham chiếu tại + cực của bộ so sánh 2 là 1 / 3Vcc), đầu ra op amp của so sánh 2 sẽ lên CAO Do đầu ra của bộ so sánh 2 được kết nối với ’R - - đầu vào đầu vào RESET của SR flip flop, đầu ra Q của flip flop sẽ đi từ CAO đến THẤP Khi Q chuyển sang THẤP, Vout sẽ tự động chuyển sang CAO Do đó, quá trình chuyển đổi tự động từ CAO sang THẤP và sauđó từ THẤP sang CAO đạt được trong Bộ đa năng ổn định Chu kỳ lặp lại

Thời gian của tụ điện để sạc từ Vcc/3 đến 2Vcc/3:

THIGH = 0,693 (RA + RB) C trong đó RA và R đơn vị Ohms và C đơn vị FaraThời gian mà tụ xả điện từ +2/3 VCC đến +1/3 VCC bằng với thời gian đầu ra thấp

và được đưa ra là:

TLOW = 0,693 RB C trong đó đơn vị RB là Ohms và C là Fara

Tổng chu kỳ dao động T = THIGH + TLOW = 0,693 (RA + 2RB) C

Tần số dao động là nghịch đảo của chu kỳ tổng thể của dao động T được đưa ra là

f = 1 / T = 1,44 / (RA + 2RB) C

Hình 16 Xung vuông của IC 555

NE555 phát ra 1 xung mức cao Trig có độ rộng tối thiểu 10μs nhận được xung mứcs nhận được xung mứccao ở loa phát (T)

Module sẽ phát ra sóng siêu âm lan truyền trong không khí với tốc độ 340m/s khi gặp vật cản sóng siêu âm sẽ phản xạ trở lại và được loa thu ( R ) nhận và lúc đó Echo sẽ tạo ra một xung mức cao có độ rộng xung bằng thời gian sóng siêu âm truyền từ module đến vật cản và từ vật cản về module

CHƯƠNG III.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Kết luận

Sau thời gian dài tìm tòi,học hỏi và thử nghiệm cuối cùng chúng em đã thiết kế ra được thành quả cuối cùng đó là mạch cảnh báo khoảng cách sử dụng cảm biến siêu

âm HC SR04, từ đây chúng em đã tích lũy được cho mình thêm nhiều hiểu biết về các linh kiện điện tử đặc biệt là về cảm biến và IC số, từ đó giúp chúng em tích lũy thêm kinh nghiệm và củng cố kiến thức tạo tiền tề cho các môn học và đồ án tiếp theo

Về cơ bản chúng em đã hoàn thành được yêu cầu của đề tài nhưng vẫn còn đó những hạn chế :

+ Chưa tối ưu về mặt kích thước cũng như số lượng linh kiện, cách bố trí các linh kiện

+ Về nguyên lý: chỉ dừng lại ở cảnh báo bằng tín hiệu âm thanh, tín hiệu chưa rõ ràng, chính xác

+ Mạch chạy không theo ý muốn trong những lần thử nghiệm

3.2 Phương hướng phát triển.

-Vì mạch cảnh báo khoảng cách chỉ dừng lại ở phát tín hiệu bằng âm thanh trong thời gian tới, chúng em được trang bị thêm các kiến thức chuyên ngành có thể phát triển thêm: + Đo khoảng cách một cách chính xác và hiển thị khoảng cách trên mànhình LCD

+ Tín hiệu đầu ra phải chính xác hơn nữa

+ Mạch cần phải hoạt động ổn định

+ Kích thước mạch là tối ưu

+ Có thể truyền tín hiệu qua Bluetooth đến các thiết bị thông minh

- Hiện nay trên thế giới mạch sử dụng cảm biến siêu âm để cảnh báo khoảng cách rất phổ biến, mẫu mã đẹp, giá thành rẻ Muốn sản phẩm của mình có thể ứng dụng vào thực tế thì chúng em cần cố gắng nhiều hơn nữa để tối ưu sản phẩm của mình, để sản phẩm làm ra đạt hiệu quả cao nhất, tối ưu nhất