Nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm

MỤC LỤC
MỤC LỤC
Lời nói đầu
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu chung.
1.2. Các vấn đề cần giải quyết.
1.3. Phương pháp nghiên cứu.
1.4. Phạm vi và giới hạn của đề tài
CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÀU NGẦM
2.1. Giới thiệu chung về tàu ngầm
2.1.1 Tổng quan về lịch sử phát triển
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm.
2.1.2.1. Các định luật cơ bản.
2.1.2.2. Nguyên lý lặn.
2.1.2.3. Nguyên lý lặn sử dụng trong đề tài.
2.1.3. Thiết bị điều khiển
2.2. Giới thiệu về điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF).
2.2.1. Khái niệm.
2.2.2. Các phương pháp mã hóa.
2.2.3. Giới thiệu chung về PT2262 và PT2272.
2.3. Hệ thống cảm biến.
2.2.2.1. Mạch phát RF.
2.2.2.2. Mạch thu RF.
2.2.3. Các phương pháp mã hóa tín hiệu.
2.3. Giao tiếp máy tính.
CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1. Mô hình cơ khí của hệ thống.
3.2. Mô hình hóa động học
3.2. Thiết kế mạch điện tử
3.3. Sơ đồ khối hệ thống
3.4. Lưu đồ giải thuật

1
Lời nói đầu
Kể từ khi chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời ở Mỹ vào thế kỷ 18,
với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học-Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển và
truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà nó
còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vận chuyển hàng hải và
nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu vượt
quá khả năng lặn của con người, nó có thể làm việc được trong môi trường độc hại, những
điều kiện khắc nhiệt mà con người không thể làm được... Đặc biệt, ngày nay, các mô hình
tàu ngầm còn đang được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại
dương…
Mặc dù tầm quan trọng và vai trò của tàu ngầm thì ai cũng biết tuy nhiên trên thế giới
những quốc gia có thể sản suất chế tạo tàu ngầm là không nhiều đặc biệt là trong lĩnh vực
quân sự chỉ có một số nước như Mĩ, Nga, Anh, Đức…Trong vài năm trở lại đây do tình hình
bất ổn trên thế giới, chạy đua vũ trang và ước muốn chinh phục đại dương mà tàu ngầm
được rất nhiều nước mua về từ những nước trên tuy nhiên giá của nó khá đắt tới phải bỏ ra
hằng trăm triệu tới vài tỉ USD cũng chưa chắc có thể mua được một chiếc tàu ngầm…
Ở Việt Nam tài liệu về lĩnh vực này còn hạn chế, và đây là một lĩnh vực khó nên tàu
ngầm còn ít được nghiên cứu. Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm ” thực
sự là một thử thách. Tuy nhiên đó cũng chính là động lực để nhóm làm việc. Nhóm bọn em
hi vọng và tin tưởng rằng đề tài này sẽ là một trong những viên gạch đầu tiên để một tương
lai không xa nước Việt Nam chúng ta có thể nghiên cứu chế tạo thành công tàu ngầm cho
việc nghiên cứu khoa học, phát triển kinh tế và giữ vững an ninh quốc phòng. Qua đề tài, các
thành viên của nhóm đã phát triển được nhiều kĩ năng như làm việc nhóm, cách tiếp cận với
vấn đề mới, cách giải quyết vấn đề…Hơn thế nữa trong quá trình làm đề tài, nhóm đã vận
dụng được những kiến thức đã học như thiết kế cơ khí, lập trình điều khiển, truyền thông,
thiết kế hệ thống… để giải một bài toán rất thực tế.
Sau một thời gian làm đồ án nhóm chúng em đã hoàn thành được một số nhiệm vụ của
đồ án, nhưng để có được thành quả đó không thể không nói đến sự động viên giúp đỡ của
gia đình, bạn bè và sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô. Chúng em xin chân thành cảm ơn gia

đình, bạn bè và thầy cô đã giúp đỡ chúng em suốt thời gian làm đồ án vừa qua, và đặc biệt
chúng em xin gửi lời cảm ơn đến:
- Thầy Lưu Vũ Hải – Giảng viên ngành Cơ điện tử, trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội – Người
đã trực tiếp hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án này.
- Các thầy trong Trung tâm Việt-Hàn trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội, đặc biệt là thầy Đàm
Quang Hưng đã nhiệt tình tư vấn và giúp đỡ chúng em thực hiện mô hình cơ khí của đề tài.
- Các bác công nhân trong Xưởng cơ khí HanSon, thị trấn Phùng-Hoài Đức-Hà Nội đã nhiệt
tình giúp đỡ chúng em gia công mô hình cơ khí.
2
Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá trình làm
đề tài. Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để có thể hoàn
thiện đề tài tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2011
Sinh viên thực hiện:
Trần Thế Hiếu
Nguyễn Văn Tập
Trần Hữu Hà
3
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG
1.1)Giới thiệu chung
1.1.1. Tầm quan trọng
Tàu ngầm là một loại phương tiện đặc biệt hoạt động dưới nước. Ngày nay, tàu
ngầm đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, vận chuyển hàng hải, trong
nghiên cứu khoa học và đang được phát triển trong ngành du lịch. Nó giúp đạt đến độ sâu
mà con người không thể lặn tới được, các môi trường độc hại...
1.1.2. Nguyên lí hoạt động
Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản của Vật lý:
Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy,
thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm

chỗ.
Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên bề
mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó.
Đối với một tàu ngầm thông thường, có hai lớp vỏ, lớp vỏ trong dầy hơn nhiều và
cũng là lớp vỏ của khoang nhân viên, giữa hai lớp vỏ là khoang trống có chứa các giàn ép
nước. Khi tàu nổi thì khoang giữa hai lớp vỏ này trống, khi muốn tàu lặn thì có một van phía
trên sẽ mở, nước tràn vào khe giữa hai vỏ làm khối lượng tàu tăng lên, chìm xuống. Các giàn
ép phía trong khoang giữa hai vỏ này có nhiệm vụ dồn không khí vào chiếm chỗ nước để tàu
nổi lên.
Do điều kiện còn hạn chế nên đề tài trong đồ án này là một mô hình tàu ngầm với các
chức năng cơ bản như: lặn-nổi dựa trên cơ chế hút-xả nước của hệ thống hai xi-lanh vít me,
di chuyển trong nước nhờ hệ thống các động cơ gắn trên tàu (động cơ đẩy, động cơ chân vịt,
động cơ cân bằng lực). Ngoài ra, mô hình này còn có một hệ thống cảm biến, bao gồm: cảm
biến gia tốc xác định góc nghiêng giúp tàu giữ thăng bằng. Cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu
âm để lấy tín hiệu hiển thị trên máy tính. Cảm biến tiệm cận giúp tàu chánh vật cản hoạt
động an toàn và một camera quan sát giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn.
1.2. Các vấn đề đặt ra
Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu vì vậy các vấn đề cần giải quyết của đề tài bao
gồm.
1.2.1. Thiết kế cơ khí bao gồm 2 phần:
 Phần vỏ với yêu cầu nhỏ gọn, thẩm mỹ, đảm bảo độ kín, độ cứng và đặc biệt là
phải phù hợp với điều kiện gia công.
 Hệ thống tấm gá bên trong tàu phải bố trí hợp lý để gá đặt các động cơ, nguồn
năng lượng, hệ thống xi lanh và các mạch điện tử, các hệ thống cảm biến…
1.2.2. Thiết kế mạch gồm các modul rời dễ dàng trong việc lắp rắp thay thế khi có sự cố.
Bao gồm mạch main,công suất,các mạch cảm biến,mạch RF,mạch kết nối máy tính
và mạch điều khiển bằng nút bấm.
4
1.2.3. Lập trình.
1.2.3.1. Sử lí các bài toán nhỏ.

 Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ bằng nút bấm.
 Nhận và hiển thị các giá trị của cảm biến nhiệt đô, siêu âm, tiệm cận gia tốc hiển
thị lên LCD.
 Lưu trữ các giá trị đo được vào EEROM của vđk.
 Dồn kênh các tín hiệu từ nút bấm.
 Lập trình điều khiển bằng thuật toán PID.
 Truyền tín hiệu data thông qua mạch RF.
 Lập trình gửi dữ liệu từ VDK lên máy tính.
 Lập trình hiển thị thông qua phần mềm visual basic.
1.2.3.2.Ghép nối các bài toán nhỏ ở trên thành hệ thống hoàn tất điều khiển đưa ra phương
pháp điều khiển tối ưu cho tàu ngầm.
1.3)Phương pháp nghiên cứu.
1.3.1. Phần cơ khí.
 Thiết kế và mô phỏng trên máy tính.
 Đưa ra giải pháp tối ưu tránh lãng phí và dễ dàng trong việc chọn vật liệu và gia
công.
 Chọn vật liệu và linh kiện sẵn có trên thị trường.
 Sử lí bài toán động lực học và nghiên cứu kết cấu an toàn cho tàu khi hoạt động
dưới nước.
1.3.2. Phần mạch.
 Tìm hiểu kĩ datasheet của các linh kiện sử dụng trong mạch.
 Tính toán lựa chọn các cảm biến sử dụng trong mạch.
 Tham khảo các mạch robocon, đồ án như “Ứng dụng RF trong điều khiển và
truyền thông không dây, Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong đo khoảng cách,
Đo lường và điều khiển bằng máy tính…”
 Test và mô phỏng các mạch trước khi làm mạch thực tế.
1.3.3 Phần lập trình.
 Giải quyết các bài toán nhỏ như đã nêu.
 Lập trình mô mỏng trên phần mềm.
 Tổng hợp đưa ra phương pháp điều khiển tối ưu.

1.3. Phạm vi và giới hạn của đề tài.
Trong khuôn khổ của đề tài với yêu cầu nghiên cứu, thiết kế, mô hình hóa trên lý thuyết
cùng với thời gian hạn chế nên phạm vi và giới hạn của đề tài như sau:
 Xây dựng mô hình cơ khí và các mạch điện tử đơn giản, ổn định, phù hợp với điều
kiện gia công thực tế.
5
 Sử dụng các loại động cơ phù hợp.
 Sử dụng cảm biến siêu âm dưới nước để xác định khoảng cách, cảm biến tiệm cận
để xác định giới hạn lặn, cảm biến gia tốc để điều chỉnh cân bằng, cảm biến nhiệt
độ để lấy giá trị nhiệt độ trong thân tàu.
 Điều khiển từ xa bằng sóng RF.
 Tuyền thông không dây bằng sóng RF.
 Giao tiếp và hiển thị bằng máy tính.
 Sử dụng camera để quan sát dưới nước.
Chương II. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÀU NGẦM
2.1. Giới thiệu chung về tàu ngầm
2.1.1 Tổng quan về lịch sử phát triển
Người ta đã coi C.V.Drebbel, nhà vật lý, người phát minh ra nhiệt kế, sống ở cung
vua Anh Jacques I, thái phó của các hoàng tử và công chúa của quốc vương, là cha đẻ của
tàu ngầm đầu tiên.
Năm 1624, Van Drebbel đã cho chế tạo một tàu ngầm có dạng quả trứng, bằng gỗ,
được đẩy đi bởi mười hai người chèo thêm vào thủy thủ đoàn, mà ông đã thử trên sông
Thames trước sự ngạc nhiên của mọi người...
Vào thế kỷ 18, ở Mỹ, trong thời gian nước này bị quân Anh chiếm đóng, chiếc tàu
ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời. Đó là kỹ sư hàng hải David Busnell - một học
viên xuất sắc vừa tốt nghiệp trường Đại học Tổng hợp Ielsk đã nảy ra ý tưởng chế tạo một
chiếc tàu đặc biệt. Chiếc tàu này có thể đi ngầm dưới mặt nước, bí mật mang mìn tiếp cập và
đánh chìm các tàu chiến to lớn của Hải quân Anh, giải phóng thành phố. Vào thời gian đó,
khi khoa học-kỹ thuật công nghệ chưa phát triển thì việc chế tạo tàu ngầm đã gặp hàng loạt
rắc rối lớn.

Đến mùa xuân năm 1776, chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời. Nó
có hình ...quả trứng. Cao: 2 mét. Đường kính thân rộng: 0,9 mét. Kíp chiến đấu chỉ có
đúng ...1 người. Nhân viên duy nhất kiêm nhiệm tất cả các nhiệm vụ, chức năng: Thuyền
trưởng, lái tàu, hoa tiêu, thợ máy và thủy thủ chiến đấu.
Năm 1893, Simon Lake(1867-1945) đã phác họa hình ảnh một chiếc tầu ngầm phóng
thủy lôi vào một tàu chiến.
6
Trong suốt thời gian này đã có rất nhiều các nhà khoa học đã nghiên cứu, thiết kế các
mô hình tàu ngầm khác nhau nhưng mục đích chung và duy nhất là phục vụ cho quân sự.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học-công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển
và truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà nó
còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vận chuyển hàng hải và
nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở các vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu
vượt quá khả năng lặn của con người. Đặc biệt, ngày nay, các mô hình tàu ngầm còn đang
được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại dương.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm
2.1.2.1 Các định luật cơ bản
Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản trong Vật lý:
 Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy,
thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang
chiếm chỗ.
 Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên
bề mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó.
2.1.2.2 Nguyên lý lặn
Về cơ bản, có 2 cách để làm tàu lặn xuống : lặn động lực (dynamic diving) và lặn
tĩnh lực (static diving). Có nhiều mô hình tàu ngầm sử dụng phương pháp động lực
(dynamic method) trong khi lặn tĩnh lực (static diving) được sử dụng bởi tất cả các tàu ngầm
quân sự.
Những tàu lặn động lực là những tàu ngầm mà vốn đã có sẵn tính nổi, chúng luôn có
khả năng tự nổi. Loại tàu này thiết kế lặn được nhờ kết hợp tốc độ (chuyển động) của tàu

cùng với các cánh lặn để đẩy tàu xuống dưới mặt nước. Điều này giống hệt như khi máy bay
cất cánh và bay.
Những tàu ngầm static diving lặn xuống được bởi sự tự thay đổi tính nổi của tàu nhờ
bơm nước vào các két dằn. Tính nổi theo đó thay đổi từ dương sang âm và tàu bắt đầu chìm
xuống. Loại tàu này không cần chuyển động để lặn, chính vì thế phương pháp này được gọi
là static diving. Để việc lặn xuống của tàu được thuận lợi thì việc bố trí các két dằn có vai
7
trò rất quan trọng.Có 3 các bố trí két dằn:Bên trong lớp vỏ chịu áp, bên ngoài lớp vỏ chịu
áp,ở giữa vỏ ngoài và lớp vỏ chịu áp.
2.1.2.3 Nguyên lý lặn sử dụng trong đề tài
Mô hình tàu ngầm trong đề tài này sử dụng cơ chế lặn tĩnh lực (static diving). Tuy
nhiên do điều kiện gia công không cho phép nên trong mô hình này, hệ thống chứa nước
chúng em đã sử dụng 2 xi lanh thủy lực thay cho các két dằn (khoang chứa).
Cơ chế: Động cơ truyền động qua vít me đai ốc tới xi lanh hút và bơm nước. Nước
được chứa trực tiếp trong xi lanh. Ngoài ra, trong tàu chúng em còn bố trí thêm tải trọng
nhằm ứng dụng trong thực tế. Do đó, tùy theo lượng nước bơm vào hoặc xả ra trong 2 xilanh
mà tàu có thể lặn xuống hoặc nổi lên.
Nguyên lý hoạt động : Cân bằng và thay đổi 2 lực là trọng lực và lực đẩy Acsimet
(hay lực nổi)
- Lực đẩy Acsimet (cố định): P = γ.V
Trong đó:
{
γ làtrọnglư ợng riêngcủa chất lỏng
V là phầnthể tíchcủa tàuchìm trong nư ớc
Trọng lực có thể thay đổi được dựa trên nguyên lý chênh lệch trọng lượng riêng giữa nước
và không khí
P = P
tàu
+ P
tđ

Trong đó, P
tàu
cố định, P
tđ
thay đổi nhờ lượng nước hút hoặc xả trong 2 xilanh:
P
tđ
= γ
H2O
.V
H2O
+ γ
KK
.V
KK
Muốn tàu nổi lên thì dùng động cơ truyền chuyển động tới xinh lanh qua hệ thống vít
me đẩy nước ra khỏi xilanh làm V
H2O
giảm đi và V
kk
tăng lên đồng nghĩa với P
tđ
(trọng lực
thay đổi sẽ giảm đi) làm cho Ptd >P.
2.1.3 Thiết bị điều khiển
Có 2 dạng điều khiển chính:
- Remotely operated Vehicle : có điều khiển bằng dây.
- Autonomous underwater vehicle : điều khiển bằng truyền sóng tín hiệu.
Trong đề tài này, chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển bằng truyền sóng tín
hiệu, mà cụ thể là truyền tín hiệu thông qua sóng RF, bởi một số ưu điểm sau:

- Truyền xa với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới 100m.
- Truyền xuyên tường, kính…
2.2 Giới thiệu về điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF)
2.2.1 Khái niệm
Sóng RF (Radio Frequency) còn gọi là tần số sóng radio. Sóng RF được dùng trong
để truyền dữ liệu, là một cầu nối trong không gian để chuyển thông tin đến và đi, là một
trong những công nghệ không dây thiết thực đang chiếm một phần quan trọng trực tiếp trong
đời sống hiện tại của chúng ta.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
2.2.2.1 Mạch phát RF
8
Thường dùng là loại module phát OOK (On/Off keyring) và ASK(Điều bi chuyển
các tín hiệu dạng số 1 và 0 thành trạng thái có hoặc không có tín hiệu ở phần mạch thu.
Ăngten phát giúp làm tăng khả năng phát xa các tín hiệu ra môi trường được thiết kế
hợp lý tương ứng với tần số hoạt đang hoạt động.
2.2.2.2 Mạch thu RF
Sử dụng để thu lại các tín hiệu từ mạch phát, biến các trạng thái phát hay không phát
thành dạng số 1 hoặc 0.
Nguyên tắc khi mạch thu rảnh không nhận dữ liệu từ mạch phát thì mạch vẫn có thể
thu các tín hiệu nhiễu môi trường làm cho output của nó có những tín hiệu 1,0 không xác
định. Hoặc trong quá trình phát có 1 chuỗi dài bit 1 hoặc 0 liên tục.
Để loại bỏ các nhiễu môi trường phía mạch phát cần phát 1 chuỗi tín hiệu liên tục
trong khoảng thời gian (tùy vào mạch thu, thường 25ms) trước khi chính thức phát dữ liệu,
điều này sẽ đảm bảo mạch thu thu đúng dữ liệu từ phía mạch phát. Đây là bước cần thiết để
chỉnh lại độ lợi (Gain) cho bộ thu trước khi hoạt động.
Độ nhạy của mạch thu cũng phụ thuộc rất nhiều vào Ăngten.
2.2.3. Giới thiệu chung về PT2262 và PT2272
PT2262 và PT2272 là sản phẩm của Princeton Technology được phát triển và ra đời
sau dòng mã hóa 12E/D của hãng Holtek.
PT2262 có 2 loại chính : loại có 8 địa chỉ mã hóa , 4 địa chỉ dữ liệu và loại có 6 địa

chỉ mã hóa và 6 địa chỉ dữ liệu. Thông dụng nhất ở VN là loại 8 địa chỉ mã hóa + 4 địa chỉ
dữ liệu
PT2272 cũng có 2 kiểu : PT2272 có 8 địa chỉ giải mã và 4 dữ liệu đầu ra Thường
được kí hiệu : PT2272 - L4; và một loại nữa là PT2272 có 6 địa chỉ giải mã và 6 giữ liệu ra :
kí hiệu PT2272 - L6 . Ở Việt Nam thông dụng nhất là loại L4
9
2.3. Hệ thống cảm biến
2.3.1. Cảm biến nhiệt độ LM_35
2.3.1.1. Giới thiệu chung
LM35 là cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao và điện áp đầu ra tuyến tính tỷ lệ
thuận với nhiệt độ (°C). LM35 do đó có lợi thế hơn các cảm biến nhiệt độ tuyến tính được
hiệu chỉnh trong độ Kelvin, người sử dụng là không bắt buộc phải trừ đi một điện áp lớn liên
tục từ đầu ra của nó để có được nhân rộng. LM35 không đòi hỏi bất kỳ hiệu chỉnh bên ngoài
để cung cấp độ chính xác điển hình của ± ¼ ° C ở nhiệt độ phòng và ± ¾ ° C trên toàn dải
đo từ -55 đến 150 °C. Trở kháng đầu ra của LM35 thấp, đầu ra tuyến tính, và hiệu chuẩn
vốn có chính xác làm cho giao tiếp với mạch đặc biệt là dễ dàng đọc ra hoặc kiểm soát. Nó
có thể được sử dụng với nguồn cung cấp năng lượng duy nhất, hoặc với nguồn thêm. Dòng
hoạt động nhỏ chỉ khoảng 60 μA. Nhiệt đọ tự sưởi thấp ít hơn 0,1°C trong không khí tĩnh.
2.3.1.2. Thông số kỹ thuật
- Hiệu chỉnh trực tiếp °C
- Độ nhạy 10,0 mV / °C
- Dải đo đầy đủ -55 đến 150 °C
- Điện áp hoạt động từ 4 đến 30 volt
- Độ phi tuyến < ± ¼ °C ở dải đo 0-100 °C
2.3.1.3. Cách sử dụng
10
Có 2 cách sử dụng LM_35 là:
 Cách 1: Đầu ra nối trục tiếp với bộ biến đổi ADC đây là phương pháp sử dụng cơ
bản, tuy nhiên dải đo trong trường hợp này nhỏ chỉ từ 2- 150 °C.
 Cách 2: Đầu ra của cảm biến được mắc với nguồn –V

s
thông qua 1 điện trở giá trị
của điện trở này được tính thông qua nguồn –V
s
bằng công thức.
R=
−V
S
50
Ưu điểm của cách sử dụng thứ 2 là tận dụng tối đa dải đo của LM35 là từ -55 tới 150 °C.
Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp này thì làm giảm độ chính xác của cảm biến.
2.3.2. Cảm biến siêu âm SRF_05
2.3.2.1. Giới thiệu chung
SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng pham
vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04. Khoảng cách
là tăng từ 3 mét đến 4 mét. Một chế độ hoạt động mới, SRF05 cho phép sử dụng một chân
duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm có giá trị trên chân điều khiển của
bạn. Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 các hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và
chân hồi tiếp, như SRF04. SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để
mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và
Picaxe để thực hiện các xung lệnh.
2.3.2.2. Sơ đồ chân của cảm biến.
11
2.3.2.3. Các chế độ hoạt động
Chế độ 1: Tương ứng SRF04 là tách biệt giữa tín hiệu kích hoạt và phản hồi. Chế độ náy sử
dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng. Tất
cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này. Để sử dụng
chế độ này ta phải sử dụng tới 2 chân điều khiển.
Từ giản đồ trên ta nhận thấy:
Để cho SF05 hoạt động thì cần cấp 1 xung mức cao có độ rộng>=10uS trên chân Trigger.

Sau khi nhận được xung từ chân Trigger thì SRF05 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi
hoàn thành việc phát 8 xung này thì SRF05 sẽ kéo chân echo lên mức 1, độ rộng của mức 1
trên chân echo tương ứng với khoản cách của vật cản với SRF05, nếu ko có vật cản thì nó sẽ
được trả về mức 0 sau 30ms ( ở đây nhiều người thường hiểu sai là khi có vật cản thì SRF05
mới trả về 1 xung mức cao có độ rộng từ 100uS ->30mS tương ứng với khoảng cách). Đặc
biệt là SRF05 chỉ có thể nhận xung trên chân Trigger tối đa là 20Hz, cho nên việc kích xung
trên chân Trigger phải phù hợp thì SRF05 mới hoạt động chính xác
Chế độ 2: Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi.
Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế
để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết
nối vào chân mát. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích
hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích
hoạt. Bạn đã có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh và làm cho nó trở thành một đầu vào
và để có pulse đo mã của bạn đã sẵn sàng. Lệnh PULSIN được tìm ra và được dùng phổ
biến hiện nay để điều khiển tự động.
12
Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, bạn chỉ cần sử dụng PULSOUT và
PULSIN trên cùng một chân, như thế này:
SRF05 PIN 15 sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echo
Range VAR Word xác định phạm vi biến 16 bit
SRF05 = 0 bắt đầu bằng pin thấp
PULSOUT SRF05, 5 đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS)
PULSIN SRF05, 1, Range echo đo thời gian
Range = Range/29 để chuyển đổi sang cm(chia 74 cho inch).
2.3.2.4. Tính toán khoảng cách
Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ. Bạn chỉ cần cung cấp
một đoạn xung ngắn 10us kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách. Các SRF05 sẽ gửi
cho ra một chu kỳ 8 xung của siêu âm ở tần số 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó
(hoặc kích hoạt chế độ dòng 2). Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các
dòng phản hồi lại. Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối

tượng. Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch / centimét
hoặc bất cứ điều gì khác. Nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi
của nó sau khoảng 30ms. SRF04 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoang cách. Nếu
độ rộng của pulse được đo trong hệ uS, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm,
hoặc chia cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch. us/58 = cm hay uS/148 = inch.
SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây. Bạn nên
chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và
xung phản hồi ngắn hơn. Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ
không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp.
2.3.2.5. Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05
Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó
lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và
được phản xạ trở lại. Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác
có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng. Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05
là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số
thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt
hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao.
Phạm vi hoạt động:
13
Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng
lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn
kết của hai đơn vị hướng về phía trước. Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu
vực phát hiện chồng chéo lên nhau.
2.3.3. Cảm biến gia tốc MMA7455L
2.3.3.1. Giới thiệu chung
- Ngõ ra Digital (I2C/SPI) – 10 bit ở Mode 8g (g là gia tốc trọng trường).
- Kích thước: 3mm x 5mm x 1mm, đóng gói 14 chân LGA.
- Dòng tiêu thụ thấp 400µA .
- Chức năng Self Test trục Z.
- Điện áp vận hành thấp 2.4V – 3.6V.

- Sử dụng các thanh ghi User Assigned để chỉnh Offset.
- Lập trình giá trị ngưỡng cho phép ngắt.
- Phát hiện chuyển động: Shock, dao động, rơi.
- Phát hiện xung: xung đơn và xung kép.
- Độ nhạy: 64 LSB/g @ 2g và @ 8g ở 10;Bit Mode.
- Có thể chọn tầm đo (±2g, ±4g, ±8g).
- Chịu shock tới 10000g.
2.3.3.2. Mô tả các chân
14
- 1: DVdd_IO, cấp nguồn digital cho các chân I/O.
- 2: GND, nối ground.
- 3: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất.
- 4:IADDR0, Bit 0 của địa chỉ I2C.
- 5: GND, nối đất.
- 6: AVdd, nguồn Analog.
- 7: CS, Chip Select, chọn kiểu truyền thông: mức 0 cho SPI, mức 1 cho I2C.
- 8: INT1/DRDY, ngắt 1 và báo Data Ready.
- 9: INT2, Ngắt 2.
- 10: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất.
- 11: Reserved, dự trữ, nối đất.
- 12: SDO, dữ liệu ra trong truyền thông nối tiếp kiểu SPI.
- 13: SDA/SDI/SDO, dữ liệu truyền thông nối tiếp kiểu I2C (SDA) / dữ liệu vào của truyền
thông SPI (SDI) / dữ liệu ra của truyền thông nối tiếp kiểu 3;wire.
- 14: SCL/SPC, xung clock của truyền thông nối tiếp I2C (SCL) hay SPI (SPC).
2.3.3.3. Sơ đồ khối
15
2.3.3.4. Thông số hoạt động.
3. Bảng 1.1: Các giá trị tối đa cho phép
- Nguồn Analog: AVDD 2.4 V ; 3.6 V (tiêu chuẩn 2.8V)
- Nguồn digital: DVDD_IO 1.71 V – AVDD (tiêu chuẩn 1.8 V)

- Dòng tiêu thụ: IDD khoảng 400μA, tối đa 490μA. Ở chế độ Stand by IDD khoảng 10μA.
- Tầm đo gia tốc trên cả 3 trục X, Y, Z:
- Nhiệt độ làm việc: ;40 – 80 °C
- Điện áp ngõ vào mức cao: 0.7 x VDD, mức thấp: 0.35 x VDD
2.3.3.5. Nguyên lý hoạt động
MMA7455 là một cảm biến vi cơ bề mặt thuộc loại điện dung. Dưới tác dụng của
gia tốc, khoảng cách giữa các vách ngăn thay đổi, sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi giá trị
điện dung theo công thức quen thuộc:
C =
A
ε
D
Với A là diện tích các miếng ngăn, A
ε
là hằng số điện môi, D là khoảng cách giữa
các tấm.
Giá trị điện áp ngõ ra tỉ lệ với gia tốc đo được.
Từ giá trị gia tốc, ta có thể tích phân đơn để có giá trị vận tốc hay tích phân 2 lớp để
xác định vị trí của vật thể. Gia tốc tĩnh do lực hấp dẫn có thể được dùng để xác định góc và
độ nghiêng.
Từ đây ta có giải thuật xác định góc nghiêng Tilt:
Với S là độ nhạy.
16
2.3.4. Cảm biến quang điện PRL30-15DN2.
2.3.4.1. Giới thiệu chung.
Cảm biến quang điện sử dụng tia sáng để phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của đối
tượng. Công nghệ này là một ý tưởng khác với Cảm biến tiệm cận cảm ứng khi mà đòi hỏi
khoảng cách phát hiện dài hơn hoặc khi vật để cảm biến không phải là kim loại. Autonics có
4 kiểu thông dụng thuộc dòng sản phẩm Cảm biến quang điện được thiết kế với kỹ thuật tiên
tiến kết hợp với công nghệ điện tử & quang học, được lựa chọn rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

công nghiệp do các chức năng của nó, chất lượng, ứng dụng linh hoạt và đáng tin cậy trong
khi vẫn còn sự cạnh tranh mạnh mẽ về giá cả thuộc về toàn bộ ngành công nghiệp.
2.3.4.2. Thông số kĩ thuật.
Trong đồ án này nhóm bọn e sử dụng cảm biến BPS300-DDT của hãng Autonics với thông
số kĩ thuật cơ bản sau.
 Nguồn hoạt động 12->24VDC.
 Khoảng cách nhận biết là 300 mm.
 Dạng đầu ra là NPN hoặc PNP.
2.4. Giao tiếp máy tính
Có nhiều chuẩn giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bên ngoài như chuẩn giao
tiếp nối tiếp (RS 232, RS 485, USB), chuẩn giao tiếp song song (cổng LPT). Trong đề tài
17
này sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 để hiển thị giá trị của 2 bộ cảm biến (cảm biến nhiệt độ
và cảm biến siêu âm) lên máy tính thong qua phần mềm Visual Basic. Chuẩn giao tiếp
RS232 khá phổ biến và thuận tiện cho việc nghiên cứu.
Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp nghĩa là dữ
liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn.Loại truyền này có khả năng dùng cho
các ứng dụng có yêu câu truyền ở khoảng cách lớn
Cổng Com có tổng cộng 8 đường dẫn,chưa kể nối đất.Việc truyền dữ liệu xảy ra trên
2 đường dẫn.Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu của nó đến KIT vi điều khiển
.Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhân được lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu
khác đóng vai trò tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phải trong mọi
trường hợp ứng dụng đều dùng hết.
Các vi điều khiển có các chân truyền nhận tín hiệu ở mức TTL,không phù hợp với
chuẩn RS232,do vậy muốn kết nối với máy tính phải qua mạch chuyển đổi điện áp từ mức
điện áp RS232 sang TTL và ngược lại.
Chuẩn RS232:
- Mức thấp(logic 0) có trị số từ +3V đến +25V
- Mức cao(logic 1)có trị số từ -3V đến -25V
- Miền giữa -3V đến +3V không hợp lệ

Chuẩn TTL:
Ngõ vào:
- Mức thấp(logic 0) có trị số từ +0V đến +0.8V
- Mức cao(logic 1)có trị số từ +2V đến +5V
- Miền giữa +0.8V đến +2V không hợp lệ
Ngõ ra
- Mức thấp(logic 0) có trị số từ +0V đến +0.5V
- Mức cao(logic 1)có trị số từ +2.7V đến +5V
18
Chương III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1. Mô hình cơ khí của hệ thống.
Phần thiết kế cơ khí nhóm đã thiết kế và nghiên cứu trên phần mềm proengineer . đây ;à một
phần cũng khá quan trọng vì nó sẽ là tiền đề cho mọi phần khác như là để tạo ra mô hình cho
tàu ngầm, thiết kế lắp đặt mạch điện tử, lắp đặt tính toán hệ thống thủy lực, hệ thống điện,
cảm biến… có thể nói phần cơ khí là tiền đề của hệ thống.
Hệ thống gồm 6 động cơ bao gồm 1 động cơ chính dùng để quay cánh quạt tạo chuyển động
cho tàu, một động cơ dùng để điều khiển bánh lái để định hướng tàu trong khi chảy, hai
động cơ điều khiển hệ thống thủy lực dùng để tạo ra áp lực bên trong tàu để điều khiển tàu
lặn hoặc nổi . một động cơ điều khiển camera và hai động cơ hai bên cánh dùng để điều
khiển khả năng cân bằng cảu tàu.
Phần này được thiết kế dựa vào một phần hình dạng tàu ngầm thực tế và điều kiện hiện tại
khi sự dụng, tàu gồm một số phần chính như sau,
- Phần Vỏ tàu: làm bằng nhôm nguyên chất có độ dày là 3mm, được chia làm 2 nữa là
vỏ trên và vỏ dới
+ gia công: cắt gọt, hàn, log. Tiện CNC (tạo các giá đỡ ổ bi)
+ kích thước: tàu có chiều dài là 1200mm, đường kính 300mm.
- Động cơ: sự dụng động cớ đầu ngựa có sẵn trên thị trường
- Thủy lực: sự dụng 2 bộ nén khí có hành trình là 150mm và đường kính 63mm, khả
năng chịu tải là 100kg. và sự dụng hệ thống có sẵn trên thị trường.
- Cánh quạt: sự dụng hợp kim nhôm

Phương pháp gia công: đúc
Kích thước: đường kính 150mm
- Chân vịt:
Vật liệu chế tạo: nhôm nguyên chất
Phương pháp gia công: cắt và hàn
Ngoài ra còn một số bộ phận khác
- Đai ốc bu lông được chế tạo bằng thép
- Vòng bị chế tạo bằng thép chuyên dụng, kích thước tiêu chuẩn
- Trục : làm bằng hợp kim inoc, đường kính 8mm
Xây dựng mô hình hệ thống
Sau quá trình thiết kế và tham khảo các tài liệu thì mô hình hệ thống đã được xây
dựng như hình dới , hệ thống có 6 bậc tự do hình dới vì vậy để điều khiển được 6
bậc tự do này cần sự dụng đến lưu đồ thuật toán điều khiển của hệ thống
19
Hệ thống cấu tạo khá phức tạp nhiều chi tiết và hệ thống kín nên vấn đề bảo hành
sữa chữa rất khó khăn
Mô hình lắp ghép sơ bộ của tàu
20