Thiết kế hệ thống đo khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI











ðINH THẾ HẢI


THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO KHOẢNG CÁCH
SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI


LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT



Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn
Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – 2012
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học nào
trước ñó.
Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ
nguồn gốc.

Tác giả




ðinh Thế Hải

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội,
trường ðại học Bách khoa Hà Nọi Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
với ñề tài: “ Thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại”.
Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TSKH Trần Hoài Linh ñã tận tình hướng dẫn và tạo
mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa cơ ñiện, Viện sau ðại học
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn
của tôi ñược hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao
ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn
thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng
viên khích lệ ñể hoàn thành luận văn này.

Hoà Bình , tháng 9 năm 2012
Tác giả

ðinh Thế Hải

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iii

môc lôc

MỞ ðẦU 1
1. ðặt vấn ñề 1
2. Nội dung nghiên cứu 1
2.1. Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách
sử dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng gồm: 2
2.2. Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau: 2
2.3. Tìm hiểu về các cảm biến ño khoảng cách bằng siêu âm 2
2.4. Tìm hiểu về một số cảm biến ño khoảng cách bằng hồng ngoại 3
3. Phương pháp nghiên cứu 4
4. Phạm vi ứng dụng 4
5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn 4
Chương I: GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ðO KHOẢNG CÁCH VÀ MỘT
SỐ CÁC CẢM BIẾN ðO KHOẢNG CÁCH 7
1.1. Bài toán ño khoảng cách 7
1.2. ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm 8
1.2.1. Sơ ñồ nguyên lý chung 9
1.2.2. Nguyên lý ño 9
1.2.3. Tầm quét của cảm biến siêu âm 10
1.2.4. Thông số của một số loại cảm biến siêu âm 11
1.3. ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài 11

1.3.1. Vật liệu và tia hồng ngoại 11
1.3.2. Cơ sở vật lý 12
1.3.3. Một số loại cảm biến hồng ngoại 12
1.3.4. Cảm biến hồng ngoại GP2D12 13
Chương II: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH
BẰNG CẢM BIẾN ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC 18
2.1. Lý do lựa chọn giải pháp 18
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iv

2.2. Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch
chuyển 19
2.2.1. Nguyên lý phần cơ khí 20
2.2.2. Nguyên lý phần ðiện ñiều khiển 21
Chương III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH VỚI ðẦU ðO
DỊCH CHUYỂN ðƯỢC 25
3.1. Sơ ñồ khối và chức năng các khối 25
3.1.1. Sơ ñồ khối 25
3.1.2. Chức năng các khối 25
3.2. Lựa chọn và thiết kế khối Vi xử lý trung tâm 26
3.2.1. Tổng quan về vi ñiều khiển 26
3.2.2. ðánh giá các dòng vi ñiều khiển PIC 26
3.2.3. Vi ñiều khiển PIC16F886 27
3.3. Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến và ADC 33
3.3.1. Khối cảm biến 33
3.3.2. Chuyển ñổi ADC 34
3.4. Lựa chọn và thiết kế khối ñiều khiển ñộng cơ bước 38
3.4.1. ðộng cơ bước 38
3.4.2. Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước 40

3.5. Lựa chọn và thiết kế khối LCD 41
3.6. Lựa chọn và thiết kế khối các phím ñiều khiển 43
3.6. Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông RS-232 44
3.7. Các khối khác trong hệ thống 46
3.7.1. Khối nguồn 46
3.7.2. Khối công tắc hành trình 46
3.7.3. Khối còi tín hiệu 47
3.8. Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 48
3.8.1. Mạch nguyên lý tổng thể 48
3.8.2. Các khối trong sơ ñồ và phần mềm thiết kế 49
3.8.3. Thuật toán hoạt ñộng 50
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

v

3.9. Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý 51
3.9.1. Tổng quan về CCS 51
3.9.2. Giới thiệu về CCS 52
3.9.3. Giao diện của CCS 52
3.10. Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC 58
Chương IV: CÁC KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 59
4.1. Mạch phần cứng 59
4.1.1. Mạch phần cứng phần ñiện 59
4.1.2. Mạch phần cứng cơ khí 62
4.2. Phần mềm vi xử lý 64
4.2.1. File Project (main.Pjt) 65
4.2.2. File.c (main.c) 65
4.2.3. File *.h 65
4.2.4. Cài ñặt khoảng cách ño của cảm biến 68
4.2.5. Kết luận 69

4.3. Phần mềm tích hợp trên PC 69
4.3.1. Cài ñặt cáp với PC 69
4.3.3. Thao tác kết hơp Terminal với Hệ thống ño và PC 69
4.4. Các kết quả thử nghiệm 71
KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 72
1. Kêt luận 72
2. ðề nghị 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi

danh môc b¶ng

Bảng 1.1. Thông số của một số cảm biến siêu âm 11
Bảng 2.1: Giá một số cảm biến ño khoảng cách thông dụng 18
Bảng 3.1: Mô tả chức năng các chân của vi ñiều khiển PIC16F886 29
Bảng 3.2: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã 36
Bảng 3.3: Các chân và chức năng trên ñầu nối cổng loại 9 chân 45

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vii

Danh môc h×nh
Hình 1.1: Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách 7
Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm 9
Hình 1.3: Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm 9

Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm 10
Hình 1.5: Hình ảnh của GP2D12 13
Hình 1.6: Sơ ñồ khối nội bộ của GP2D12 13
Hình 1.7: Giản ñồ trạng thái của GP2D12 14
Hình 1.8: Khác góc và khác khoảng cách 15
Hình 1.9: Tín hiệu ra 15
Hình 1.10: ðường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức ñiện áp ra của GP2D12 16
Hình 1.11: Một cách bố trí cảm biến 16
Hình 1.12: Tăng góc quay quan sát của cảm biến 17
Hình 1.13: Bố trí tụ lọc giữa output và ground của GP2D12 17
Hình 2.1: Nguyên lý chung phần cơ khí 20
Hình 2.2: Kết cấu cơ khi bánh răng và thanh răng 21
Hình 2.3: Kết cấu giữa trục ñỡ và thanh ray 21
Hình 2.4: Tính toán chiều khoảng cách dịch chuyển 22
Hình 2.5: Vị trí ban ñầu của hệ thống ño 23
Hình 2.6: Xác ñịnh khoảng cách ño 24
Hình 3.1: Sơ ñồ khối và các khối chức năng thiết bị ño 25
Hình 3.2: Sơ ñồ chân vi ñiều khiển PIC16F886 27
Hình 3.3: Cấu trúc vi ñiều khiển PIC16F886 28
Hình 3.4: Sơ ñồ thiết kế mạch vi xử lý trung tâm 32
Hình 3.5. Sơ ñồ khối cảm biến 33
Hình 3.6. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh 35
Hình 3.7: Analog và digital của hàm sin. 37
Hình 3.8: ðộng cơ bước nam châm vĩnh cửu 6 ñầu dây ra 38
Hình 3.9: Sơ ñồ mạch ñiều khiển ñộng cơ bước 40
Hình 3.10: Sơ ñồ khối bên trong IC L293D 40
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

viii

Hình 3.11: Hình ảnh IC L293D 41
Hình 3.12: Thiết kế khối LCD 42
Hình 3.13: Nút bấm SW1 43
Hình 3.14: Nút bấm SW2 43
Hình 3.15: Nút bấm SW3 43
Hình 3.16: Khối truyền thông RS232 44
Hình 3.17. Khối nguồn 46
Hình 3.18. Khối công tắc hành trình 46
Hình 3.19. Khối còi tín hiệu 47
Hình 3.20: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị 48
Hình 3.21: Tab General trong giao diện CCS 53
Hình 3.22: Tab Communications trong giao diện CCS 54
Hình 3.23: Tab SPI and LCD trong giao diện CCS 55
Hình 3.24: Tab Timer trong giao diện CCS 55
Hình 3.25: Tab Analog trong giao diện CCS 56
Hình 3.26: Tab “Other” trong giao diện CCS 56
Hình 3.27: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57
Hình 3.28: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57
Hình 4.1. Thiết kế của mạch in mặt phía trên (a) và mặt phía dưới (b) 59
Hình 4.2. Mạch in hình thiết bị mặt trên 60
Hình 4.3. Mạch in hình thiết bị cả mặt trên và mặt dưới 60
Hình 4.5. Mạch in 3D 61
Hình 4.6. Ảnh mạch ñiện phần cứng hoàn thiện 61
Hình 4.7. Màn hình LCD 16x2 sau khi ñã kết nối với phần cứng mạch ñiện 62
Hình 4.8. Kết cấu giữa ñộng cơ bước và thanh răng 63
Hình 4.9. Kết cấu giữa thanh răng và máng trượt 63
Hình 4.10. Ảnh tổng thể thiết bị mặt trước 64
Hình 4.11. Ảnh tổng thể thiết bị mặt bên 64
Hình 4.12. Khởi ñộng Terminal 70
Hình 4.12. Chọn cổng COM và connect 70

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

1

MỞ ðẦU
1. ðặt vấn ñề
Vấn ñề ño khoảng cách trong thực tế hiện nay có rất nhiều phương pháp ño và
cách ño khác nhau. Việc thiết kế hệ thống ño khoảng cách một cách tự ñộng là một
trong những phương pháp ño ñược ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến hiện nay,
nhưng vẫn phải ñảm bảo ñược các yêu cầu như ñộ chính xác, linh hoạt, ñảm bảo
ñược yêu cầu về ứng dụng trong lĩnh vực cần ño. Ngoài ra còn phải phù hợp với bài
toàn kinh tế ñối với thiết bị khi lựa chọn và thiết kế. Chính vì thế ở ñây tôi ñề xuất
việc thiết kế chế tạo một hệ thống ño khoảng cách sử dụng “Cảm biến hồng ngoại”
tích hợp trên một cơ cấu chuyển ñộng có thể ñiều khiển ñược, với mục ñích ño
khoảng cách và tăng khoảng cách ño ñể giảm giá thành của thiết bị ño.
Tôi rất trân trọng cảm ơn PGS-TSKH Trần Hoài Linh ñã trực tiếp, nhiệt tình
chỉ bảo hướng dẫn ñể tôi thực hiện ñề tài này một cách có hiệu quả trong quá trình
thiết kế và triển khai ñề tài.
2. Nội dung nghiên cứu
Thực tế trên thị trường nước ta hiện nay có rất nhiều hệ thống ño khoảng cách
như phát hiện chướng ngại vật, ño mức chất lỏng v.v… ñặ biệt là các thiết bị ño nhỏ
và gọn có thể di chuyển lắp ñặt ở các vị trí ñịa ñiểm cần ño và kiểm tra trong quá
trình thực hiện.
Mặc dù vậy cũng có một số giải pháp và các công nghệ ño ñưa ra ñể áp dụng
vào thiết bị ño trong thời ñiểm hiện nay còn một số hạn chế nhất ñịnh như:
– Khoảng cách ño hạn chế
– Giá thành sản phẩm khá cao khi mở rộng khoảng cách ño
Thực tế ñặt ra nhiệm vụ thiết kế, chế tạo hệ thống ño khoảng cách sử dụng
cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng có thể ñiều khiển ñược ñể
nhằm ñáp ứng ñược những vấn ñề trên và nhu cầu thực tế hiện nay.

Các nhiệm vụ ñặt ra trong luận văn
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2

2.1. Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách sử
dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng gồm:
• Mạch ñiện phần cứng
• Thiết kế cơ cấu chuyển ñộng bằng cơ khí
• Hệ thống ño có kích thước nhỏ gọn (có kích thước không lớn hơn
400 x 300 x 150 mm ,có thể cầm tay)
• Tích hợp với cơ cấu chuyển ñộng (có chiều dài không lớn hơn
750cm)
• Lưu giữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của
thiết bị ño và với máy tính
• Có các phím chức năng ñể thiết lập và ñặt lại chế ñộ ño
• Tính linh hoạt cao (có thể thay ñổi cấu hình phần cứng bằng cách
thay ñổi các cảm biến có các khoảng cách cảm nhận khác nhau
hoặc cảm biến siêu âm)
• Thiết bị và hệ thống ño sử dụng nguồn 5V
• Lưu giữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của
thiết bị và với máy tính
2.2. Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau:
• Tự ñộng kết nối thiết bị ño với máy tính
• ðồng bộ dữ liệu ño lên máy tính và lưu vào cơ sở dữ liệu
• Có thể tìm kiếm ñược các thông tin trong cơ sở dữ liệu
• Giao diện phần mềm lập trình ñơn giản, trực quan với người sử
dụng và quan sát
2.3. Tìm hiểu về các cảm biến ño khoảng cách bằng siêu âm
• FRS02: Cảm biến ño cự li từ xa bằng sóng siêu âm

• FRS04: Cảm biến siêu âm ño khoảng cách
• FRS05: Cảm biến siêu âm
• FRS10: Cảm biến siêu âm kích thước bé
• FRS235: Cảm biến “ñầu bút chì”
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

3

2.4. Tìm hiểu về một số cảm biến ño khoảng cách bằng hồng ngoại
• GP2D02:
 Tín hiệu ra ñọc trực tiếp từ thiết bị ño
 Tầm ño từ
10 80
cm cm
÷

 Cách ño ñọc và ñược kích hoạt bởi một ñồng hồ bên ngoài
 Dòng ON ~25mA, dòng OFF~2µA
• GP2D05:
 Tín hiệu ra 0 hoặc 1 dựa trên ngưỡng khoảng cách từ xa
 Tầm ño
10 80
cm cm
÷
ñiều chỉnh ngưỡng tích hợp với ñiện thế nhỏ
 Cách ño ñọc và ñược kích hoạt bởi một ñồng hồ bên ngoài
 Dòng ON ~25mA, dòng OFF ~2µA
• GP2D12:
 Tín hiệu ra dạng Analog (0V÷~3V) dựa trên khoảng cách ño
 Tầm ño

10 80
cm cm
÷

 Cách ño ñọc liên tục giá trị ño với thời gian là ~38ms mỗi lần ñọc
 Dòng ON ~25mA
• GP2D15:
 Tín hiệu ra dưới dạng số Digital (0 hoặc 1)
 Tầm ño khi chế tạo cảm biến này giá trị cài ñặt khoảng cách là
24cm
 Cách ño ñọc liên tục giá trị ño với thời gian là ~38ms mỗi lần ñọc
 Dòng ON ~25mA
Khoảng cách cảm nhận của các thiết bị ño phụ thuộc vào các cảm biến, mỗi
một cảm biến có một khoảng cách cảm nhận khác nhau. Thông thường các cảm
biến hồng ngoại có một bộ phát và một bộ thu bằng hồng ngoại.
Khi bộ phát phát ánh sáng hồng ngoại gặp chướng ngại vật phản xạ ngược trở
lại bộ thu cảm nhận ñược, và khoảng cách từ cảm biến tới vật ñược tính bằng
1 2

quãng ñường ánh sáng hồng ngoại ñi từ bộ phát ñến bộ thu.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

4

– Nghiên cứu và ñề xuất giải pháp ghép ñầu ño trên cơ cấu chuyển ñộng ñiều
khiển ñược ñể mở rộng khoảng cách ño:
– Cảm biến hồng ngoại ñược tích hợp, nối cứng trên một thanh chuyển ñộng
ñược gắn một thanh răng.
– ðối tượng ñiều khiển là ñộng cơ bước, trên trục ñộng cơ có gắn bánh răng ăn
khớp với thanh răng trên cơ cấu chuyển ñộng.

3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết ñể tìm ra các giải pháp từ ý tưởng ban ñầu
- Sử dụng các thiết bị trong quá trình thiết kế nghiên cứu thực tế từng thiết bị cụ
thể ñể thống nhất trong quá trình kết nối
- Xây dựng thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại, khảo
sát các kết quả thực tế của thiết bị và ñiều chỉnh.
4. Phạm vi ứng dụng
- Trong công nghiệp
- Trong nông nghiệp
- Các lĩnh vực trong ñời sống
- Sử dụng mô hình vào lĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống ño mức nước tự
ñộng
5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn
Chương I (Giới thiệu về bài toán ño khoảng cách và một số cảm biến ño khoảng
cách) nêu lên sơ ñồ ý tưởng của bài toán ño khoảng cách trong luận văn và các loại
cảm biến ño khoảng cách thường sử dụng trong thực tế hiện nay, chủ yếu tìm hiểu về
cấu tạo cơ bản, nguyên lý và thông số của cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại.
ðồng thời tìm hiểu về giá thành một số cảm biến trên thị trường hiện nay.
Dựa vào sơ ñồ ý tưởng của bài toán ño khoảng cách, thông số của các cảm
biến cũng như giá thành các cảm biến ñể lựa chọn một cảm biến thích hợp ñể thiết
kế một hệ thống ño khoảng cách theo yêu cầu của luận văn ñảm bảo tăng ñược
khoảng cách ño và bài toán kinh tế. Trong chương II gồm các nội dung sau:
– Bài toán ño khoảng cách
– ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

5

– ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài
Chương II (Phân tích giải pháp thiết bị ño khoảng cách bằng cảm biến có ñầu

ño dịch chuyển ñược) giới thiệu lý do ñể từ ñó lựa chọn một giải pháp thích hợp
trong việc thiết kế, chủ yếu là bài toán kinh tế trong việc tăng khoảng cách ño
nhưng vẫn ñảm bảo giá thành của sản phẩm thiết bị khi thiết kế. Trong quá trình
thiết kế dựa trên hai nguyên lý cơ bản là nguyên lý phần cơ khí và nguyên lý phần
ñiện, ñây là hai nguyên lý ñể phối hợp cảm biến với hệ thống dịch chuyển ñể tăng
khoảng cách ño. Trong chương II gồm các nội dung sau:
– Lý do lựa chọn giải pháp
– Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch chuyển
Chương III (Thiết kế thiết bị ño khoảng cách với ñầu ño dịch chuyển ñược)
ñưa ra sơ ñồ khối chức năng tổng thể của thiết bị dựa vào sơ ñồ khối phân tích lựa
chọn và thiết kế từng khối trong sơ ñồ. Sau khi ñã thiết kế các khối và ñi ñến thiết
kế tổng thể mạch thiết bị dựa trên các khối ñã thiết kế theo sơ ñồ các khối chức
năng. Phần cứng các khối ñã thiết kế và lựa chọn song tiếp tục phân tích ñể lựa
chọn phần mềm lập trình trên Vi xử lý và phần mềm trên PC. Trong chương IV
gồm các nội dung sau:
– Sơ ñồ khối và chức năng các khối
– Lựa chọn và thiết kế Vi xử lý
– Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến khoảng cách
– Lựa chọn và thiết kế khối dịch chuyển bằng ñộng cơ bước
– Lựa chọn và thiết kế khối hiển thị bằng màn hình LCD
– Lựa chọn và thiết kế khối phím bấm
– Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông
– Lựa chọn và thiết kế khối bộ nhớ
– Thiết kế tổng thể mạch thiết bị
– Phân tích và thiết kế phần mềm Vi xử lý
– Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC
Chương IV (Các kết quả triển khai) ñưa ra các hình ảnh của thiết bị trong quá
trình thiết kế như mạch in của thiết bị và phần cơ khí sau khi ñã tích hợp cảm biến
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

6

trên cơ cấu thanh ray dịch chuyển bởi ñộng cơ bước. Chương trình ñiều khiển viết
bằng ngôn ngữ lập trình C cho vi ñiều khiển gồm chương trình chính, chương trình
ñiều khiển ñộng cơ bước, chương trình ñiều khiển màn hình LCD hiển thị kết quả
ño. ðo và ñưa ra một số kết quả gồm các thông số khoảng cách ñã thực hiện. Trong
chương V gồm các nội dung sau:
– Mạch phần cứng
– Phần mềm Vi xử lý
– Phần mềm tích hợp trên PC
– Các kết quả thử nghiệm
* Kết luận và ñề nghị:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

7

Chương I: GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ðO KHOẢNG CÁCH VÀ
MỘT SỐ CÁC CẢM BIẾN ðO KHOẢNG CÁCH

1.1. Bài toán ño khoảng cách
Các cảm biến ño khoảng cách nói chung ñều có khả năng thiết kế ño khoảng
cách kết hợp với các bộ ñiều khiển lập trình như PLC,Vi xử lý… nhưng cũng tuỳ
thuộc vào từng ñối tượng ño, ñiều kiện ño và bài toán kinh tế ta có thể lựa chọn cảm
biến tương ứng mà vẫn ñảm bảo ñược yêu cầu về bài toán ño khoản cách.
Nếu ño với khoảng cách nhỏ, ñơn giản, ta có thể lựa chọn ño khoảng cách
bằng cảm biến ñiện trở, cảm biến ñiện cảm hoặc cảm biến ñiện dung.
ðể ño khoảng cách lớn hơn, sử dụng cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm
biến hồng ngoại. Với các cảm biến có khả năng ño khoảng cách càng xa thì giá
thành càng lớn. Muốn thực hiện việc ño khoảng cách lớn nhưng vẫn ñảm bảo ñược
bài toán kinh tế là dùng các cảm biến có khoảng cách cảm nhận nhỏ, ta ñưa ra bài

toán và một giải pháp tích hợp ñầu ño của cảm biến trên một cơ cấu dịch chuyển có
thể ñiều khiển ñược ñể tăng khoảng cách cảm nhận.
Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách

Hình 1.1: Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách
trong ñó:
d
1
- khoảng cách cảm nhận của cảm biến,
d
2
- khoảng cách xác ñịnh gián tiếp từ vị trí ñộng cơ bước (khoảng cách từ vị trí của
ñộng cơ bước tới cảm biến, cũng là vị trí từ thiết bị ño tới vị trí của cảm biến)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

8

Khoảng cách mà cảm biến xác ñịnh và trả về kết quả là khoảng cách d
1
. khi ñó
khoảng cách từ thiết bị ño tới ñối tượng ño là d
1
+d
2
. Cảm biến cảm nhận các giá trị
thay ñổi và trả về thiết bị ño, thiết bị ño ñọc các giá trị này và ñiều khiển ñộng cơ
bước, thiết bị ño và ñiều khiển sử dụng Vi ñiều khiển PIC
Khi thiết kế các hệ thống ño khoảng cách có nhiều giải pháp ño kết hợp với
các thiết bị ño như sử dụng các cảm biến sau:
– Cảm biến ñiện cảm

• Cảm biến ñiện cảm dùng con chạy cơ học
• Cảm biến ñiện cảm không dùng con chạy cơ học
– Cảm biến ñiện dung
• Cảm biến tụ ñơn
• Cảm biến tụ kép vi sai
• Cảm biến mạch ño
– Cảm biến quang
• Cảm biến quang phản xạ
• Cảm biến quang rọi thấu
– Cảm biến ño dịch chuyển bằng sóng ñàn hồi
– Cảm biến Hall
– Cảm biến ñiện trở
– Cảm biến siêu âm (FRS02, FRS04, FRS05, FRS08, FRS10, FRS235…)
– Cảm biến hồng ngoại (GP2D02, GP2D05, GP2D12, GP2D15…)
Với các cảm biến ño khoảng cách nói trên thì hiện nay chủ yếu sử dụng các
cảm biến ño khoảng cách có một bộ phát và một bộ thu tích hợp trên cùng một bộ
và gắn trên cơ cấu chuyển ñộng, như cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại.
Sau ñây luận văn sẽ trình bầy một số vấn ñề tổng quan về hai dạng cảm biến
tầm gần thông dụng nhất là cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại.
1.2. ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm
Siêu âm là một sóng ñược ứng dụng rộng rãi trong việc ño khoảng cách và
ñịnh vị vật thể. Có nhiều phương pháp ño, cũng có thể ñánh giá ñược khả năng
không gian bị chiếm bởi vật thể cần xác ñịnh (phương pháp sử dụng công thức xác
suất toàn phần theo mô hình Bayes) và tỉ lệ chiếm giữa các ô lưới trên bản ñồ nhằm
xác ñịnh vị trí xác suất cao nhất có vật thể.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

9

ðo khoảng cách ñều ñược xác ñịnh từ việc phát sóng siêu âm truyền ñi, gặp vật

và có sóng siêu âm phản xạ trở lại bộ phận thu sóng ñể xác ñịnh khoảng cách từ
cảm biến tới vị trí vật cần xác ñịnh.
1.2.1. Sơ ñồ nguyên lý chung

Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm
1- Bộ biến âm 2- ðế nhựa tổng hợp 3- Phần giảm âm
4- Cáp ñiện 5- Vỏ kim loại 6- Vỏ bọc
1.2.2. Nguyên lý ño
Sóng siêu âm ñược truyền ñi trong không khí với vận tốc 343m/s. Nếu một cảm phát
hiện ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, ñồng thời ño ñược khoảng thời gian từ
lúc phát ñi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác ñịnh ñược quãng ñường mà sóng truyền
ñi trong không gian. Quãng ñường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khoảng cách từ cảm
biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của cảm biến siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm
biến tới chướng ngại vật ñược tính theo nguyên lý TOF:
2
v t
d
⋅
=


Hình 1.3: Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

10

1.2.3. Tầm quét của cảm biến siêu âm
Tầm quét của cảm biến siêu âm có thể ñược mô hình hoá bởi một hình quạt

Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm

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 ño dường như
trên quãng ñường ñi từ cảm biến ñến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất
cứ cản vật nào và ñâu ñó xung quanh vị trí mà cảm biến cảm nhận ñược có một
chướng ngại vật. Và vì thế cảm biến siêu âm có thể ñược mô hình hoá thành một
hình quạt, trong ñó các ñiểm ở giữa gần như không có chướng ngại vật, còn các
ñiểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật ở nằm ở ñâu ñó.
Như vậy khi phát và thu sóng siêu âm ta ghi nhận ñược một véc tơ ñịnh vị, với
hướng là hướng của cảm biến và ñộ lớn là khoảng cách từ cảm biến ñến chướng
ngại vật. Và khi ño nếu ta nói cảm biến ghi nhận một véc tơ (giả sử 100cm) theo
hướng theta, có nghĩa là trong khoảng từ cảm biến tới chướng ngại vật theo hướng
theta dường như không có vật cản nào và chướng ngại vật nằm ở ñâu ñó cách cảm
biến theo hướng phát của cảm biến (theta) một khoảng là (100cm)
Hình 2.4 chỉ ra rằng nếu có vật nằm trong tầm quét của cảm biến siêu âm, thì
vùng quét của siêu âm có thể ñược phân ra làm ba vùng. Vùng 1 là vùng phía ngoài
hình quạt là vùng dường như có vật cản nào ñó. Vùng 2 là vùng gần tâm quạt,
dường như không có vật cản nào. Vùng 3 là vùng còn lại sau vật cản cho ñến vị trí
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

11

xa nhất trong tầm quét của cảm biến siêu âm, ñây là vùng chưa biết, vì siêu âm
không thể nhìn xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này.
1.2.4. Thông số của một số loại cảm biến siêu âm
Bảng 1.1. Thông số của một số cảm biến siêu âm
Khoảng ño
Cảm
biến
Thông tin
Tối ña Tối thiểu

Góc
*
Số lần
vang
**
Thời gian
Ghi
chú

SRF02 I2C/
Serial
15cm 6m 45
0
Một 70ms A
SRF04 Kỹ thuật
số
3cm 3m 45
0
Một 100µs÷36ms


SRF05 Kỹ thuật
số
3cm 4m 45
0
Một 100µs÷36ms


SRF08 I2C 3cm 6m 45

0
17 65ms BC
FRS10 I2C 3cm 6m 60
0
Một 65ms AB
FRS235

I2C 10cm 1,2m 15
0
Một 10ms AD
* Ước tính góc hình nón cảm biến ở
1 2
cảm biến
** Số lần vang ghi lại bởi cảm biến. ðây là những tiếng vọng ghi ñọc gần nhất
và ñược ghi ñè mới bằng mỗi lần khác nhau
A: Những cảm biến nhỏ hơn (ñiển hình FRS05, FRS04, FRS08)
B: Phạm vi thời gian có thể ñiều chỉnh xuống bằng cách ñiều chỉnh ñược
C: Cảm biến này bao gồm một Photocell ở mặt trước ñể phát hiện ánh sáng
D: Hoạt ñộng ở một tần số 235kHz cao hơn
1.3. ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài
Hiện nay trên thế giới nhiều loại cảm biến ño khoảng cách bằng tia hồng ngoại
ñã và ñang ñược sử dụng. Các cảm biến này ñược ñóng gói nhỏ gọn, tiêu thụ dòng
rất ít và nhiều sự lựa chọn cho tín hiệu Output.
1.3.1. Vật liệu và tia hồng ngoại
– Tia hồng ngoại tồn tại ở dạng nhiệt ở tất cả mọi nơi, bên trong và bên ngoài
vật liệu
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

12

– Tia hồng ngoại phát ra từ các vật và con người, trong ñó loài vật và con người
phát ra tia hồng ngoại mạnh nhất có ñộ dài bước sóng là
4
m
µ

– ðể nhận diện tia hồng ngoại người ta dùng các cảm biến Pyroelectric (hoả
ñiện). Cảm biến là các vật liệu tinh thể, sẽ tạo ra ñiện áp khi có sự thay ñổi
nhiệt ñộ ở dạng các tia hồng ngoại.
1.3.2. Cơ sở vật lý
– Sóng ánh sáng hay sóng hồng ngoại ñều là sóng ñiện từ, truyền ñi trong không
khí với vận tốc ánh sáng
– Bước sóng của hồng ngoại:
0,7
IR
m
λ µ
≥

– Bước sóng của ánh sáng khả kiến:
0,4 0,7
VL
m m
µ λ µ
≤ ≤

1.3.3. Một số loại cảm biến hồng ngoại
ðể ño khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại cũng có thể sử dụng một số các
cảm biến như GP2D02, GP2D05, GP2D12, GP2D15. Với mỗi cảm biến có một ñặc
ñiểm riêng cũng như khoảng cách cảm nhận và tín hiệu ñầu ra, ta thấy ñể ñiều khiển

việc ño khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật và ñọc khoảng cách ño.
Các chướng ngại vật không phải chỉ ñứng yên mà còn có thể chuyển ñộng
trong hoặc ngoài phạm vi cảm nhận của cảm biến. Khi chuyển ñộng trong phạm vi
cảm nhận của cảm biến thì cảm biến sẽ thu tín hiệu và truyền tới thiết bị xử lý và
cho kết quả. Vậy tín hiệu này là tín hiệu tương tự (analog).
Vậy ban ñầu từ tín hiệu không ñiện là khoảng cách, cảm biến cảm nhận sự
thay ñổi và biến ñổi thành tín hiệu ñiện tương ứng và truyền về thiết bị ño và xử lý.
Với mục tiêu ñặt ra trong ñề tài này và xét tới các ñặc ñiểm của một số cảm
biến ño khoảng cách như trên ta lựa chọn cảm biến hồng ngoại GP2D12 có tín hiệu
ra analog hợp lý. Khoảng cách cảm nhận 10cm÷80cm vừa phải ñể lắp ñặt mô hình
phần cứng, không quá lớn ñể ảnh hưởng tới bài toán kinh tế.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

13

1.3.4. Cảm biến hồng ngoại GP2D12
– Hình ảnh:

Hình 1.5: Hình ảnh của GP2D12
– Sơ ñồ khối nội bộ:

Hình 1.6: Sơ ñồ khối nội bộ của GP2D12
trong ñó các khối chính là: Signal processing circuit (Mạch xử lý tín hiệu), LED
drive circuit (Mạch LED), Voltage regulator (Khối ñiều chỉnh ñiện áp), Oscillation
circuit (Khối dao ñộng), Output circuit (Khối ñầu ra).
– Giản ñồ trạng thái:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

14

Hình 1.7: Giản ñồ trạng thái của GP2D12
trong ñó: Power supply - Nguồn cung cấp,
Distance measuring operation - Khoảng cách ño hoạt ñộng
First measurement - Phép ño ñầu tiên
Second measurement - Phép ño thứ hai
n-th measurement - Các phép ño tiếp theo
Unstable output - ðầu ra thay ñổi
First output - ðầu ra ñầu tiên
Second output - ðầu ra thứ hai
n-th output - ðầu ra thứ n
– Nguyên lý hoạt ñộng:
Trong cảm biến GP2Dxx (của hãng Sharp), một phương pháp mới ñược sử
dụng ñể phát hiện vật thể ở khoảng cách xa hơn và không giảm mức ñộ ảnh hưởng
từ ánh sáng xung quanh.
Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp trắc ñịa tam giác (triangulation)
và một mảng CCD dài mỏng ñể tính toán khoảng cách và sự hiện diện của vật thể
trong vùng quan sát.
Ý tưởng cơ bản là: một xung của ñèn IR ñược phát ra bởi ñèn phát emitter. Tia
sáng này sẽ ñi trong trường quan sát hoặc là ñụng vật thể, hoặc là không ñụng vật
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

15

thể. Trong trường hợp không gặp vật thể, tia sáng sẽ không bao giờ phản hồi về và
ñọc là không có vật thể. Nếu tia sáng phản xạ lại, có vật thể, cảm biến sẽ thu và tạo
ra một phép trắc ñạc tam giác giữa 3 ñiểm, ñiểm phản xạ, ñiểm phát và ñiểm thu.

Hình 1.8: Khác góc và khác khoảng cách
trong ñó: Object – ðối tượng, Angle – Góc nhìn, Point of Reflection – ðiểm phản xạ.

– Tín hiệu ra:
Tín hiệu ra output không tuyến tính, vì một vài phép lượng giác của tam giác
trắc ñịa.

Hình 1.9: Tín hiệu ra
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

16


Hình 1.10: ðường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức ñiện áp ra của GP2D12
Trong ñường cong quan hệ trên, ñầu tiên, tín hiệu output khoảng cách nằm
giữa từ vùng 10cm tới 80cm thì không tuyến tính. Thứ hai, trên ñường cong có thể
chia làm hai vùng, một vùng nhỏ hơn 10cm và vùng từ 10cm tới 80cm. Hai vùng
này ñược ñặc tuyến khác nhau, nó có thể gây ảnh hưởng tới thiết bị ño nếu di
chuyển chậm hoặc tiến lại gần vật thể (ñối tượng). ðể tránh ñiều này thì cảm biến
có thể ñược bố trí như sau:

Hình 1.11: Một cách bố trí cảm biến
Góc chùm của tia hơi nhỏ, vì khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu là 10cm, nếu
muốn tăng góc mở, có thể sử dụng kết hợp hai cảm biến hồng ngoại như sau: