đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện. ứng dụng đo khoảng cách không phản xạ

MỤC LỤC
1
BÁO CÁO ĐỀ TÀI
ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA HAI SỰ KIỆN. ỨNG DỤNG
ĐO KHOẢNG CÁCH KHÔNG PHẢN XẠ
Đặt vấn đề:
Các cảm biến đo khoảng cách được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm tham
chiếu tới một đối tượng. Rất nhiều công nghệ khác nhau đã được ứng dụng để phát triển
các loại cảm biến này, tiêu biểu là ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng, và siêu
âm….Cảm biến đo khoảng cách có thể phân thành 2 loại: Tiếp xúc và không tiếp xúc.
Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc
Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc là loại cảm biến đo khoảng cách thực từ
điểm tham chiếu tới một đối tượng không thông qua tiếp xúc vật lý. Có ít nhất bảy kỹ
thuật đo khác nhau đươc áp dụng trên các cảm biến này:
 Đo tam giác
 Thời gian truyền
 Đo dịch pha
 Điều biến tần số
 Giao thoa
 Hội tụ quét
 Cường độ tín hiệu trả về
Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc được phân chia thành hai loại: chủ
động (phát một số dạng năng lượng vào khu vực quan tâm) hoặc thụ động (dựa trên năng
lượng phát ra từ các đối tượng trong khu vực quan tâm). Các thuật ngữ thườngđược sử
dụng như radar (radio direction and ranging), sonar (sound navigation and
ranging), và lidar (light direction andranging) tương ứng với các phương pháp chủ
động dựa trên một số kỹ thuật đo ở trên. Ví dụ, radar sử dụng kỹ thuật thời gian truyền,
đo dịch pha, hoặc điều biến tần số. Sonar thường sử dụng kỹ thuật thời gian truyền do tốc
độ âm thanh đủ chậm để đo bằng các thiết bị điện tử có giá thành thấp. Lidar thường dựa
trên cơ sở kĩ thuật laser sử dụng phép đo thời gian truyền hoặcđo dịch pha.
Với các loại cảm biến tích cực (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộc không

chỉ vào mức năng lượng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của đối tượng:
2
 Diện tích tiết diện ngang - xác định lượng năng lượng phát ra tác động vào đối
tượng.
 Hệ số phản xạ- xác định lượng năng lượng truyền tới được phản xạ so
với lượng năng lượng bị hấp thụ hoặcxuyên qua.
 Độ tập trung - xác định khả năng phân bố lại của năng lượng phản xạ.
Rất nhiều cảm biến không tiếp xúc hoạt động dựa trên vật lý học truyền sóng. Sóng
được phát ra tại một điểm tham chiếu,khoảng cách được xác định bằng cách đo thời
gian truyền từ điểm tham chiếu tới vật hoặc độ suy giảm của cường độ khisóng
truyền tới vật và quay trở lại điểm tham chiếu. Thời gian truyền sóng được đo bằng
phương pháp thời gian truyền hoặcđiều biến tần số.
Trong đề tài “ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA HAI SỰ KIỆN. ỨNG DỤNG
ĐO KHOẢNG CÁCH KHÔNG PHẢN XẠ” chúng em giới thiệu một phương pháp đo
khoảng cách không tiếp xúc trong không gian (tức là đầu phát cũng chính là đối tượng
vật lý) thông qua việc đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện. Bài làm không tránh khỏi sai
sót, mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ thầy, cô và bạn bè.
3
I. Tính năng của sản phẩm
 Đo khoảng cách trong không gian không cần phản xạ.
 Đo khoảng cách từ 20-80cm
 Bộ phát tín hiệu có thể di chuyển được, bộ thu tín hiệu cố định.
II. Sơ đồ nguyên lý chung
Mạch sử dụng một mạch phát xung đồng bộ (phát một chum xung vuông) để đưa đồng
thời xung kích vào hai bộ phát tín hiệu hồng ngoại và siêu âm. Tín hiệu đầu ra của hai bộ
thu được đưa vào 2 chân của VĐK, tín hiệu thu của sóng hồng ngoại đưa vào port 1.0 và
tín hiệu thu của sóng siêu âm đưa vào port 1.1. Do vận tốc sóng hồng ngoại
8
( 3.10 / )
c

v m s
=
nhanh hơn nhiều so với vận tốc sóng siêu âm (
343 /
s
v m s=
) nên khi
có tín hiệu nhận được từ chân 1.0 của VĐK thì timer của VĐK được kích lên và bắt đầu
đếm, khi nhận được tín hiệu từ chân 1.1 thì timer ngắt. Lúc này ta có khoảng thời gian
t
∆
cũng chính là khoảng thời gian giữa 2 tín hiệu phát-thu của 2 nguồn đã biết trước vận
tốc. Từ đó ta có được khoảng cách tính như sau:
1 1
;
.
c c s s
c s c s
c s c s
c s
c s
h v t v t
h h
t t t t t h
v v v v
t v v
h
v v
= =
⇒ = = ⇒ ∆ = − = −

∆
⇒ =
−
4
III Mạch phần cứng và phần mềm
3.1 Mạch phần cứng
5
3.
1.1 Khối nguồn
6
Sơ đồ khối:
Đầu ra cung cấp nguồn nuôi cho mạch với các mức điện áp
12Vdc+
và
5Vdc+
. Điện áp
12Vdc+
được chỉnh lưu từ mạch cầu qua điện áp được hạ bởi biến áp từ nguồn xoay
chiều
220Ac
. Cho áp
12Vdc+
qua LM 7805 ta được điện áp
5Vdc+
làm nguồn nuôi cho
các vi mạch.
3.1.2 Khối phát xung đồng bộ
 Phát xung đồng bộ: Phát đồng bộ một chùm xung có độ rộng 1s(trong 1s chùm
xung có tần số 40KHz) để kích thích cho các thiết bị phát hồng ngoại và siêu âm
phát tín hiệu. NE555 là vi mạch tạo xung tương đối chính xác và thông dụng đáp

ứng được sử dụng và làm việc ở chế độ phát xung đơn.
 Phát và thu tín hiệu: Ta dùng LED phát-opto thu hồng ngoại và cặp phát-thu siêu
âm để phát và nhận các tín hiệu.
3.1.3 Khối thu
Tín hiệu các sóng thu khi qua các cảm biến thu thường rất nhỏ nên ta sẽ sử dụng các
OPAM để khuếch đại các tín hiệu lên, sau đó dùng mạch so sách để thu được các xung
cần thiết đưa vào VĐK. OPAMP ở đây ta sử dụng LM324.
3.1.4 Giao tiếp với VĐK
Lựa chọn VĐK:
Chọn mốc thời gian là lúc bắt đầu phát xung tín hiệu, khoảng cách cần đo là 20-80 cm ta
có:
9 9
8 8
3 3
0,2 0,8
0,67.10 2,67.10
3.10 3.10
0,2 0,8
0,583.10 2,332.10
343 343
c c
s s
t t
t t
− −
− −
≤ ≤ ⇒ ≤ ≤
≤ ≤ ⇒ ≤ ≤
7
Ta thấy rằng

c
t
rất bé so với
s
t
. Vậy nếu chọn khoảng thời gian là lúc VĐK nhận được tín
hiệu đến của tín hiệu thu hồng ngoại thì khi đó khoảng thời gian chênh lệch giữa hai sự
kiện sẽ là
s c s
t t t t
∆ = − ≈
. Ta lựa chọn VĐK 8051 có 2 bộ định thời 16 bít, đếm tối đa
16
2 65536
=
giá trị với chu kì xung nhịp
1 s
µ
. Số giá trị mà Timer phải đếm trong
trường hợp này là:
583 2332−
. Do đó, VĐK 8051 là phù hợp để đo khoảng thời gian
s
t
này.
3.1.5 Hiển thị khoảng cách qua LCD
Ta sử dụng LCD để hiện thị kết quả tính toán của VĐK.
3.2 Thiết kế phần mềm
 Các trạng thái: Chờ, Đếm, Tính toán và hiển thi
 Các biến cần dung:

- P1.0 Tín hiệu vào hồng ngoại
- P1.1 Tín hiệu vào siêu âm
 Sơ đồ mô tả trạng thái của hệ thống:
8
IV Thiết kế từng khối
4.1 Khối nguồn
Sơ đồ mạch:
9
Tính toán, lựa chọn linh kiện:
Linh kiện:
 Biến áp 220/12AC
 Diode 2A
 2 tụ hóa 1000uF-50V
 2 tụ keo 104pF
 1 LM7805
 1 cầu đấu (cắm nguồn 220VAC)
Mạch điện gồm: Hạ áp, chỉnh lưu, lọc, biến đổi (78xx). Nguồn điện xoay chiều
220VAC-50Hz qua biến áp là hạ áp xuống còn 12VAC và được qua bộ chỉnh lưu nhằm
biến đổi xoay chiều thành một chiều.Thành phần một chiều này có độ gợn nên phải qua
bộ lọc C để san phảng điện áp gợn đó cho ra điện áp 1 chiều.Sau đó điện áp một chiều
này qua bộ ổn áp 78xx cho ra điện áp ổn áp mà mình cần.
Hạ áp:Ở đây chúng ta biến đổi điện áp lưới 220Vac-50Hz xuống còn 12Vac. Mục
đích là cấp đầy vào cho bộ biến đổi và bộ lọc để có điện áp một chiều mong muốn
Chỉnh lưu:Thành phần chỉnh lưu là biến đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu một
chiều thông qua 4 con diode chỉnh lưu. Đây là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với dạng sóng
đầu vào và đầu ra sau chỉnh lưu như sau:
 Điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu :
12 2 17( )Uv Vdc= =
10
 Điện áp sụt áp trên cầu là :

17 0.7 * 2 15.6( )Vdc− =
(Do đi qua 2 diode nên mỗi đioe
nó bị sụt áp mất 0.7V)
 Điện áp sau chỉnh lưu là :
15.6 * 0.9 14.04( )
CL
U Vdc= =
( 0.9 là hệ số chỉnh lưu của
chỉnh lưucầu)
Dạng điện áp sau chỉnh lưu nó vẫn còn các sóng nhấp nhô và dạng điện áp này vẫn
được coi là điện áp 1 chiều nhưng chưa ổn định, nên cần phải qua một bộ lọc.
Thành phần lọc
Mạch này dùng lọc C cho đơn giản (ngoài ra có thể dùng lọc RC, RLC).
 Tụ hóa C1 và C2 lọc các thành phần điện áp nhấp nhô sau chỉnh lưu cho nó bằng
phẳng.
 Tụ thường C1 và C2 lọc các thành phần cao tần
Dạng điện áp sau khi qua bộ lọc:
 Dựa vào nguyên tắc phóng nạp của tụ điện mà nó cho ra dòng điện một chiều như
trên hình vẽ.Tụ càng lớn thì độ gợn điện áp càng giảm.
Những sóng có tần số cao tần phải được lọc đi nhờ 2 tụ thường C1 và C2 vì trong
mạch dùng IC nếu tồn tại những thành phần này thì sẽ gây ra những sai sót khó
phát hiện làm cho mạch hoạt động không bình thường.
11
Qua bộ lọc là ta đã tạo được điện áp một chiều cấp vào cho bộ biến đổi đổi hay là
bộ ổn áp
Bộ ổn áp LM7805
12
 Theo thông số datasheet thì ta thấy được các thông số làm việc của 7805 như sau :
 Giải điện áp đầu vào là lớn nhất là 40V. Với điện áp đầu ra từ 5V đến 18V thì điện
áp vào lấy là 35V. Còn điện áp ra là 24V thì điện áp vào là 40V như vậy mạch ổn

áp với hoạt động ổn định
 Giải nhiệt độ hoạt động là từ 0 đến 125 độ C. Cần phải tản nhiệt tốt
 Ở điều kiện thường 7805 cho áp ra 5Vdc, dòng không quá 1A.
 Đảm bảo thông số là : Vin - Vout = 2- 3V ( lúc đó mạch mới hoạt động ổn áp
được)
4.2 Khối phát xung đồng bộ
Sơ đồ mạch:
13
Linh kiện:
 2 IC555
 Trở: 2 con 4.7MΩ, 1 con 2.7K, 1 con 470, 2 con 100Ω
 Tụ thường: 1 con 0.01uF, 1 con 0.1uF
 1 con CD4017
 1 con 74HC58
 Led phát, CB phát siêu âm
14
Tính toán, lựa chọn linh kiện:
Đối với mạch IC555, ta có công thức chu kỳ:
1 2 2
T = 0.693(R + 2R )C
 Với IC555 thứ nhất:
Chọn: R1=R2=4.7MΩ, C5=0.1uF ta được chu kỳ T=1(s).
Chân 3 của IC555 thứ nhất được nối qua IC4017 để tạo ra dạng xung có chu kì
bằng 10 lần chu kì của xung đưa vào (10s), và có thời gian xung có giá trị logic cao là
1s.
 Với IC555 thứ hai.
Chọn :
( )
1,443
R3 = 2.7k , R 4 = 470 , C7 = 0.01 F f = 40kHz

R 3+ 2R 4 .C7
µ
Ω Ω ⇒ ≈
Các tín hiệu ra của các IC 555 được đưa qua mạch AND (74HC58) để tạo ra tín hiệu
điều khiển xung phát cho các cảm biến phát xung hồng ngoại và siêu âm ở chế độ đa hài.
Khi đó, tín hiệu ra là các chùm xung 40KHz có chu kì phát là 1s và chu kỳ ngắt là 9s.
Mức logic đầu ra của IC 4017 là 1 tương ứng với điện áp 3,7V-5V.
Để tạo được điện áp giúp cho cảm biến siêu âm phát ta sẽ sử dụng OP-AMP để
khuếch đại tín hiệu lên.
Ta sử dụng mạch khuếch đại không đảo với :
- Hệ số khuếch đại :
Điện áp đầu ra mạch AND: .
- Điện áp hiệu dụng đầu ra của mạch khuếch đại:
Thời gian phóng nạp của của tụ điện thứ 2 tương ứng là t1 và t2
1 2
t = 0,693(R 3+ R 4)C7; t = 0,693R 4.C7
15
Tính điện trở han dòng cho LED hồng ngoại:
LED
8.1 1,6 6.5 12.5-1.6 10,9
I =
3 3 R 3 R 3R R
−
= ≤ ≤
Mà
10 20
LED
mA I mA
< <
suy ra

325 < R3 < 1090
Ω Ω
. Chọn R3=10kΩ.
16
4.3 Khối thu sóng hồng ngoại
Sơ đồ mạch:
Linh kiện:
 1 con TSOP1740
 1 con LM324
 1 biến trở 10k
 1 con tụ hóa 4.7uF
 Trở, tụ thường
17
TSOP1740:
18
Nguyên lý hoạt động:
Để tín hiệu điện áp vào chân 2 của TSOP1740 ổn định là 5Vcc và không có
nhiễu thì ta mắc điện trở R1 và C1 theo mạch lọc thông thấp để loại bỏ các tín hiệu
nhiễu. Tín hiệu đầu ra 3 được đưa vào chân dương của OP-AMP để so sánh với tín
hiệu đặt, đầu ra OP-AMP đưa vào chân của VĐK.
Tính toán, lựa chọn linh kiện.
Tạo điện áp đặt:
2,5
ref
V V
=
 lựa chọn chiết áp
10kΩ
đặt ở 50%
- Chọn điện trở R2:

2
2
5
1,2 4,2
1,2 1,2
cc
vào
V
Vcc
I mA R k
R mA mA
= ≤ → ≥ = = Ω →
chọn
2
10R k
= Ω
4.4 Khối thu sóng siêu âm
Sơ đồ mạch:
Tín hiệu thu đưa qua mạch khuếch đại không đảo, sau đó qua mạch so sánh để tạo tín
hiệu đưa vào chân vi điều khiển.
Tính toán, lựa chọn linh kiện:
Với điều kiện:
19
Điện áp đầu vào:
1
.0,0002 0,2
in
volt
V bar mV
bar

µ
µ
= =
Tính điện trở
2, 3:R R
0,2
2 0,17
2 1,2
in in
inmax
inmax
V V mV
I R
R I mA
≤ → ≥ = = Ω →
chọn
2 1R k= Ω
Hệ số khuếch đại không đảo:
3
2
1 22000 3 22000 2 3 22
R
k R R R M
R
= + = → = → = Ω
Khi đó điện áp sau tầng khuếch đại:
3
. 1 0,2 .22000 4,4
2
out in

R
V V mV V
R
 
= + = =
 ÷
 
Biến trở: chọn biến trở
10kΩ
đặt ở vị trí 50%  điện áp so sánh:
2,5 .
ref
V V
=
4.5 Giao tiếp với VĐK và hiển thị qua LCD
Sơ đồ mạch:
20
Nút reset: Do tính chất cơ học của phím bấm nên khi nhấn nút bấm thì mức lo- gic có
thể sẽ không có tác động như mong muốn, hiện tượng đó là rung phím. Để khắc phục
hiện tượng này ta có thể giải quyết bằng vấn đề phần cứng hoặc phần mềm. Cho đơn
giản ta sử dụng phần cứng. Để giải quyết được điều này thì hằng số thời gian của
mạch R12C11 nhỏ hơn thời gian xảy ra hiện tượng rung T
R
=1ms.
Tính toán, lựa chọn linh kiện
Để tạo xung nhịp cho VĐK ta sử dụng thạch anh dao động 12MHz. Khi đó, chu kì
xung nhịp sẽ là:
12 /12MHz 1μs
=
. Cùng với đó ta lắp thêm hai tụ C12=C13=33p vào

2 đầu của thạch anh để tạo dao động.
- Thiết kế nút reset.
Quá trình phóng điện của tụ C1 qua R2 khi nhấn nút càng nhanh càng tốt để mau
chóng thiết lập trạng thái logic mong muốn.
Điện áp trên tụ:

2. 1
0 2
1

ln
t
R C
o
t
V e R
V
C
V
−
= → =
 
 ÷
 
Chọn
1
0,1 . 5 .Logic 0
o
C F V V
µ

= =
chuẩn TTL: 0-0.8V
3
2
1
10
5,5
5
ln
0.1 .ln
0,8
R
o
T
R k
V
C
F
V
µ
−
→ < = = Ω
   
 ÷
 ÷
 
 
Chọn
2
3,3 R k

= Ω
. Thời gian phóng điện:
1 2
0,33C R ms
=
Quá trình nạp tụ phải kéo dài hơn thời gian rung phím. Mức điện áp logic 1 chuẩn
TTL từ 3.3-5V.
21
3
1 2 1
10
24 20,7
5
0.1 .ln
3.3
R R k R k
F
µ
−
+ < = Ω → < Ω
 
 ÷
 
Chọn
1
10R k
= Ω
. Thời gian nạp:
( )
1 1 2

1,33C R R ms+ =
V Ứng dụng và hướng phát triển
VI Kết luận
22