Đề tài hệ thống hỗ trợ cảnh báo lùi xe cho xe ô tô báo cáo cao học.

MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

BÁO CÁO MƠN
CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO
ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG HỖ TRỢ VÀ CẢNH BÁO LÙI XE CHO Ô TÔ.

Người thực hiện: Nguyễn Duy Quốc Thái
Nguyễn Thanh Lưu
Tên lớp: TD2201
Giảng viên hướng dẫn:PGS. TS. Đồng Văn Hướng

TP. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2023

MỤC LỤC

NHĨM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

1


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời buổi công nghệ như hiện nay, các thiết bị điện tử - tự động hóa ngày
càng phát triển, địi hỏi sự chính xác cũng như là tốc độ xử lí thơng tin của các thiết bị

điện tử càng cao.
Trong môn học này chúng ta sẽ một phần nào đó giải quyết được vấn đề trên. Để
các thiết bị tự động hóa hoạt động chúng ta cần có sự tham gia của các cảm biến nhằm
đo lường những giá trị thực tế để chuyển về các giá trị analog hoặc digital. Vậy những
ngun lí đó sẽ được mơn học Cảm biến và xử lý tín hiệu đo cung cấp từ tổng quan
cho đến chi tiết về đa số các loại cảm biến trên thực tế và nhóm 4 sẽ cung cấp một vài
thơng tin cũng như là mơ hình thực tế của một loại cảm biến đó là cảm biến siêu âm
HC - SR04.
Sau một khoảng thời gian, nhóm 4 đã hồn thành được đa số các mục tiêu đặt ra.
Tuy nhiên vẫn còn một vài sai sót, nhóm 4 sẽ tiếp tục hồn thiện sản phẩm của mình
để đạt được các nhu cầu thiết yếu nhất đối với bài tốn cơng nghệ. Những thơng tin
mà nhóm mình cung cấp hi vọng sẽ giúp ích được cho các bạn tiếp cận cũng như là
giải quyết được bài tốn cơng nghệ của chính mình.
Nội dung báo cáo sẽ gồm những nội dung chính như sau:
Nguyên lí hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04:
Giải pháp công nghệ ứng dụng với cảm biến
Sơ đồ giải thuật cho bài tốn cơng nghệ
Mơ phỏng trên phần mềm proteus
Chương trình xử lí tín hiệu cảm biến
Mơ hình
Các mạch hỗ trợ, Vi xử lí Arduino nano
Các cơ cấu chấp hành: Đèn Led, phanh, cịi
Các thiết bị giám sát: Màn hình hiển thị LCD.

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

2


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

CHƯƠNG I . GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC SR04
1.1.

Cấu tạo cảm biến siêu âm HC SR04

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm HC – SR04 gồm :
Bộ biến âm
Đế nhựa tổng hợp
Phần giảm âm
Cáp điện
Vỏ kim loại
Vỏ bọc
1.2. Thông số kỹ thuật:
1.
2.
3.
4.
5.
6.

-Nguồn làm việc: 3.3V – 5V (chuẩn 5V)
-Dịng tiêu thụ : 2mA
-Tín hiệu đầu ra xung: HIGH (5V) và LOW (0V)
-Khoảng cách đo: 2cm – 100cm
-Độ chính xác: 0.5cm
-Góc qt tốt nhất : 30

NHĨM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

3


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO
1.3.

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

Sơ đồ chân

Hình 1.2 Sơ đồ chân và đấu nối với Arduino
Nguyên lí hoạt động :
Để đo được khoảng cách, cảm biến siêu âm phát ra một xung rất ngắn khoảng 5
micro giây từ chân trig. Sao đó cảm biến sẽ tạo ra một xung HIGH ở chân Echo khi
nhận được tín hiệu trở về.
1.4.

=

(1.1)

Trong đó
v : vận tốc sóng siêu âm ( 343 m/s trong khơng khí )
t : thời gian từ lúc phát đến lúc thu.

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

4


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

Hình 1.3 Ngun lí hoạt động của cảm biến siêu âm
Ứng dụng của cảm biến siêu âm HC-SR04
1.5.1. Dải đo của cảm biến siêu âm HC-SR04 :
- Cảm biến siêu âm HC-SR04 phát hiện khoảng cách từ vật thể đến đầu cảm

1.5.

biến là trong khoảng từ 2cm – 100cm.
1.5.2. Điện áp vào cấp cho cảm biến hoạt động:
- Điện áp hoạt động là 5V/DC cấp vào chân Vcc của cảm biến.
1.5.3. Tín hiệu đầu vào và ra của cảm biến :
- Tín hiệu vào : điện áp
- Tín hiệu ra : tần số
1.5.4. Xử lí tín hiệu đầu ra của cảm biến :
- Tín hiệu ra của cảm biến là tần số, từ tần số ta suy ra thời gian ( bằng cách ta
sẽ lập trình cho Arduino đếm thời gian nhận xung từ cảm biến gửi về thơng
qua 1 chân mà mình đã kết nối, thời gian đếm được là “t” ) rồi sau đó từ “t” đã
đếm , suy ra khoảng cách bằng công thức (1.1).
1.5.5. Ứng dụng của cảm biến trong thực tế :
- Cảm biến siêu âm được sử dụng rất nhiều trong các khu vực nhà máy công
nghiệp, dây chuyền sản xuất, khu vực bệnh viện…

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

5


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

Hình 1.4 Ứng dụng thực tế của cảm biến siêu âm

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

6


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

CHƯƠNG 2: CẤU HÌNH PHẦN CỨNG
2.1.

Quy trình cơng nghệ

Hình 2.1 Sơ đồ khối thể hiện quy trình cơng nghệ hệ thống
2.2.

Cấu hình vi xử lý

2.2.1. Giới thiệu vi xử lí Arduino nano

Board Arduino Nano V3 là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board
Arduino, nhưng đầy đủ các tính năng, được thiết kế dựa trên vi điều khiển
ATmega32P. So với mạch Arduino Uno R3 thì các hàm và chức năng của mạch
Arduino Nano V3 về cơ bản là giống nhau, vì chúng cùng xây dựng dựa trên Atmega
328. Có một điểm khác biệt cần quan tâm giữa 2 mạch đó là, Arduino Nano V3 được
bổ xung thêm 2 chân đọc tín hiệu ADC A6, A7.
2.2.2. Cấu hình của vi xử lí Arduino nano

NHĨM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

7


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

Hình 2.2 Sơ đồ chân của Arduino nano
Có 30 chân vào/ra được đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngồi ra cịn có 1 chân nối
đất ( GND ) và một chân điện áp tham chiếu ( AREF).
Vi điều khiển AVR : đây là một bộ xử lí trung tâm tồn board mạch. Với mỗi
mẫu Arduino nano khác nhau thì con chip khác nhau. Ở Arduino nano V3.0, thì
sử dụng con chip ATMega328.
Arduino nano V3.0 có 14 chân digital để đọc và xuất tín hiệu. Chúng chỉ có hai
mức điện áp là 0V và 5V với dịng điện vào/ra tối đa là 40mA.
Một số chân digital có chức năng đặc biệt như sau :
+ Hai chân Serial : 1 (TX) và 2 (RX) dùng để gửi (transmit - TX) và nhận
(receive - RX) .
+ Chân PWN () : là chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14 , những chân này cho phép xuất
xung PWN với độ phân giải là 8 bit bằng hàm analogWrite().

+ Chân giao tiếp SPI : chân 13 (SS), chân 14 (MOSI), chân 15 (MISO), chân
16 (SCK). Ngồi chức năng thơng thường, 4 chân này còn dùng để truyền và
phát đữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13 : khi nhấn nút Reset, đèn LED 13 sẽ nhấp nháy để báo hiệu. Nó được
nối với chân 13. Khi chân này sử dụng, led này sẽ sáng.
Có 8 chân analog ( từ A0 đến A7 ).
Chân VIN dùng để cấp nguồn cho board arduino nano.
2.2.3. Thơng số kĩ thuật

Hình 2.3 Bảng thơng số kĩ thuật của Arduino nano
NHĨM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

8


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

2.3. Cơ cấu chấp hành

Hình 2.4 Hình ảnh các cơ cấu chấp hành
2.3.1. Đèn báo
Bao gồm 2 đèn:
+ LED ĐỎ : led báo khoảng cách an toàn ( từ 5cm đến 50cm ).
+ LED XANH : led báo khoảng cách nguy hiểm ( từ 0cm đến 5cm )
2.3.2. Còi báo:
Dùng để báo hiệu: khi xe ở khoảng cách an tồn thì cịi sẽ khơng kêu, trong
khoảng cách báo động, tần số của còi báo càng lớn khi vật cản càng gần, đến
khoảng cách nguy hiểm thì cịi kêu liên hồi tới khi ấn nút hoặc dời ra xa thì

mới hết cao.
2.3.3. Màn hình hiển thị LCD 16x2:
Dùng để hiển thì khoảng cách giữa xe và vật cản, cảnh báo cho tài xế biết đã
vào khu vực nguy hiểm.
2.3.4 Nút nhấn
Thể hiện cho xe lúc vào chế độ lùi.
NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

9


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
3.1.

Lưu đồ thuật tốn

Hình 3.1 Hình ảnh lưu đồ thuật tốn của hệ thống

NHĨM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

10


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO
3.2.

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

Mơ phỏng và vẽ mạch trên Proteus

Hình 3.5 Hình ảnh hệ thống khi chạy trên proteus

Mạch nguyên lý PCB

Mạch in
NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

11


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

Bố trí linh kiện
3.3.

Hình ảnh mơ phỏng thực tế các kết quả:

Hình 3.3 Hình ảnh khi khởi động hệ thống

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

12

MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

Hình 3.4 Hình ảnh khi xe ở khoảng cách an tồn

Hình 3.5 Hình ảnh hệ thống khi xe ở khoảng cách nguy hiểm
NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

13


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

-Tín hiệu giả định : tín hiệu điện áp. Tín hiệu điện áp tượng trưng cho khoảng
cách từ vật thể đến đuôi xe.
- Khi thay đổi điện áp bằng biến trở thì khoảng cách từ vật cản đến đầu cảm biến
sẽ thay đổi và cảm biến sẽ đo được khoảng cách, từ đó thực hiện các cơ cấu chấp
hành.
- Khi khởi động hệ thống bằng nút nhấn, màn hình LCD sẽ hiển thị : “DA CAP
NGUON , AN NUT START !” . Khi khoảng cách từ 5cm – 50cm, màn hình
LCD hiển thị “KHOANG CACH DEN VAT CAN LA: …”, còi kêu và với tần số
cao hơn hơn khi khoảng cách từ cảm biến đến vật thể càng gần. Khi khoảng cách
nhỏ hơn 5cm, LED TRÁI sáng lên, còi kêu liên hồi , LCD hiển thị “QUA GAN
VAT CAN, NGUY HIEM”
3.4.

Đánh giá mơ phỏng, mơ hình thực tế

Nhìn chung mơ hình thực tế của nhóm 3 đã hồn thành được đa số các mục

tiêu đặt ra cho bài tốn cơng nghệ của nhóm như ( hiển thị được khoảng cách lùi xe
cho tài xế, vùng lùi an toàn, nguy hiểm và báo hiệu khi có vật cản nằm quá gần bằng
các thiết bị như LCD, đèn LED và cịi). Để cải tiến hồn thiện hơn nhóm đã dùng đến
hai cảm biến để phòng trường hợp các vật cản nằm trong điểm mù của một cảm biến.
Tuy nhiên việc xử lí thơng tin cịn khá chậm do chất lượng của cảm biến mà nhóm sử
dụng chưa có độ tin cậy cao giá thành rẻ nên không thể tránh được việc lấy mẫu thơng
tin về bộ xử lý cịn khá chậm khiến cho khoảng cách hiển thị trên LCD chưa được liên
tục.
3.5.

Code arduino
#include <LiquidCrystal.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <Wire.h>;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F,16,2);
const
const
const
const

int
int
int
int

trig1 = 5;
echo1= 6;
trig2 = 7;

echo2 = 8;

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

14


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

unsigned long duration1;
unsigned long duration2;
int distance1;
int distance2;
unsigned long time1 = 0;
const int buzz=2;
int t=0;
int led1 =3;// khi t nam trong khoang 10 den 50 den vang sang
int led2 =4; // khi t be hon 10 den do sang
int buttonA=9;//
int buttonPushCounterA = 0; // số lần button A được nhấn
int buttonStateA = 0;
// trạng thái hiện tại của button A
int lastButtonStateA = 0;
// trạng thái trước đó của button A
void khoangcach1();
void setup()
{
Serial.begin(9600);

pinMode(trig1,OUTPUT);
pinMode(echo1,INPUT);
pinMode(trig2,OUTPUT);
pinMode(echo2,INPUT);
pinMode(buzz,OUTPUT);
pinMode(led1,OUTPUT);
pinMode(led2,OUTPUT);
pinMode (buttonA,INPUT);
lcd.init();
//Khởi động màn hình. Bắt đầu cho phép Arduino sử dụng màn
hình, cũng giống như dht.begin() trong chương trình trên
lcd.backlight(); //Bật đèn nền
lcd.print(" DA CAP NGUON"); //Xuất ra chữ Hello world, mặc định sau khi init
thì con trỏ tại cột 0 hàng 0 (trong C, khác với quy ước của tiếng Việt, mọi chỉ số
đều bắt đầu bằng số 0, vì vậy bạn cần hiểu rằng, nếu ta kẻ một bảng có 2 hàng
và 16 cột thì ô góc trên cùng bên trái là ô (0,0) tương tự với các ô khác, ta cứ
tăng dần giá trị lên!
lcd.setCursor(0,1); //Đưa con trỏ tới hàng 1, cột 0
lcd.print(" AN NUT START!");// Bạn thấy trên màn hình rồi chứ?
}
void loop()
{
buttonStateA = digitalRead(buttonA);
if (buttonStateA != lastButtonStateA)
{
if (buttonStateA == HIGH)

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

15

MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

{
buttonPushCounterA++;
Serial.println("Dang nhan nut A");
Serial.print("So lan nhan button A la: ");
Serial.println(buttonPushCounterA);
}
else
{
Serial.println("off");
}
}
lastButtonStateA = buttonStateA;
if (buttonPushCounterA % 2 == 0)
{
lcd.clear();
khoangcach1();
}
else
{
digitalWrite(buzz,0);
digitalWrite(led1,LOW);
digitalWrite(led2,LOW);
}
}

void khoangcach1()
{
digitalWrite(trig1,0);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trig1,1);
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(trig1,0);
duration1 = pulseIn(echo1,HIGH);
distance1 = int(duration1/2/29.412);
Serial.print(distance1);
digitalWrite(trig2,0);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trig2,1);
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(trig2,0);
duration2 = pulseIn(echo2,HIGH);
distance2 = int(duration2/2/29.412);
Serial.print(distance2);
if(distance1<=distance2)
{
t=distance1;
}

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

16


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

else
{ t=distance2;
}
if(t<50)
{
if(t<50 && t>5)
{
lcd.print(" CACH VAT CAN :");
lcd.setCursor(6,1);
lcd.print(t);
lcd.print("cm");
{
digitalWrite(buzz,1);
delay(t*3);
digitalWrite(buzz,0);
//delay((t-249)*(-10));
}
digitalWrite(led1,HIGH);
digitalWrite(led2,LOW);
delay(150);
}
else{
if(t<5)
{
digitalWrite(led1,LOW);
digitalWrite(led2,HIGH);
digitalWrite(buzz,1);
lcd.print(" QUA GAN VAT CAN");

lcd.setCursor(3,1);
lcd.print("NGUY HIEM !");
delay(200);
}
}
}
else
{
lcd.print(" KHOANG CACH ");
lcd.setCursor(5,1);
lcd.print("AN TOAN");
delay(500);
digitalWrite(buzz,0);
digitalWrite(led1,LOW);
digitalWrite(led2,LOW);
}
}

NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

17


MƠN: CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO

GVHD: PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

KẾT LUẬN

Sau q trình mơ phỏng và thực hiện mơ hình thực tế, nhóm 3 đưa ra một số nhận xét

sau đây:
Do góc quét của cảm biến SR04 là 30 độ , mơ hình thực tế 2 cảm biến lại đặt
gần nhau nên có sự chồng chéo về góc khiến cho việc hiển thị vật cản bên trái
hoặc phải chưa được chính xác.
Để phát triển bài tốn cơng nghệ áp dụng cho những nhu cầu thực tế cần sử
dụng cảm biến cũng như là các thiết bị phần cứng có chất lượng tốt hơn.
Lắp cảm biến sao cho khơng có sự chồng lấn góc qt để hiển thị được vật cản
bên nào giúp cho tài xế thuận tiện trong việc lùi xe.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Giáo trình cảm biến – Phan Quốc Phô ( Chủ biên ) – Nguyễn Đức Chiến
[2] Butterworth-Heinemann,.Measurement and Instrumentation Principles, 3rd

Edition.[2001.ISBN0750650818]
[3] />[5] />[6] />
NHÓM 4: NGUYỄN THANH LƯU – NGUYỄN DUY QUỐC THÁI

18