THIẾT kế MẠCH điện và KHẢO sát đặc TÍNH của cảm BIẾN SIÊU âm HY SRF05

Lời cảm ơn
Xin gửi lời cảm ơn Th.S Trần Đặng Bảo Ân, nhờ có sự hướng dẫn tận tình của
thầy em đã thực hiện được đề tài” THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ KHẢO SÁT ĐẶC
TÍNH CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM HY-SRF05”.
Cảm ơn thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang và bạn Nguyễn Tấn Phát đã giúp đỡ
trong quá trình thực hiện đề tài.
Cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Vật lý của Trường Đại học Sư Phạm Tp.Hồ Chí
Minh đã trang bị cho em những kiến thức hữu ích để hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn ba mẹ, các anh, các bạn, các thầy đã giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp
nhiều ý kiến quí báu để em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh, nhưng bước đầu làm
quen với nghiên cứu khoa học và hạn chế về kiến thức lẫn kinh nghiệm khó tránh
khỏi những thiếu sót mà bản thân chưa nhận ra được. Rất mong sự góp ý của quý
thầy cô để luận văn này ngày càng hoàn thiện.
LƯƠNG VĂN THUẬN

1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................6
Giới thiệu chung ......................................................................................................6
1.

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: .........................................................6

2.

Mục đích của đề tài ........................................................................................6

3.

Nội dung nghiên cứu .....................................................................................6

4.

Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ..............................................7

5.

Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................8
1.1. Cảm biến HY-SRF05 .......................................................................................8
1.2. VI ĐIỀU KHIỂN............................................................................................11
1.3. MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÓ LIÊN QUAN. ....................................17
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẢM BIẾN.
...................................................................................................................................21
2.1. Cấu tạo ...........................................................................................................21
2.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................................23
2.3. Quá trình gia công và lắp mạch......................................................................24
CHƯƠNG III: KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN ...........................27
3.1. Khảo sát xung tín hiệu trên chân TRIG và ECHO .........................................27
3.2. Khảo sát hàm truyền cảm biến .......................................................................30
3.3. Khảo sát quan hệ giữa khoảng cách và góc đo của cảm biến ........................33
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................37
PHỤ LỤC ..................................................................................................................38

2

Danh mục các hình
Hình 1.1. Cảm biến siêu âm HY-SRF05 ...........................................................8
Hình 1.2. Sơ đồ chân cảm biến HY-SRF05 ......................................................9
Hình 1.3. Nguyên lý TOF ...............................................................................10
Hình 1.4. Hiện tượng forecasting ...................................................................11
Hình 1.5. Hiện tượng crosstalk ......................................................................11
Hình 1.6. Kiến trúc Harvard ..........................................................................12
Hình 1.7. Vi điều khiển PIC16F877A.............................................................13
Hình 1.8. Sơ đồ chân PIC 16F877A ...............................................................13
Hình 1.9. LCD 16×2 .......................................................................................17
Hình 1.10. Sơ đồ chân LCD 16×2 ..................................................................17
Hình 1.11. Mạch nạp PICKit 2.......................................................................19
Hình 1.12. IC nguồn 7805 ..............................................................................19
Hình 1.13. Thạch anh 20 000 Hz....................................................................20
Hình 2.1. Khối nguồn .....................................................................................21
Hình 2.2. Khối vi điều khiển ...........................................................................21
Hình 2.3. Khối giao tiếp cảm biến SRF-05 ....................................................22
Hình 2.4. Khối hiển thị ...................................................................................23
Hình 2.5. Sơ đồ giải thuật đo khoảng cách ....................................................23
Hình 2.6. Xung trên chân TRIG và ECHO .....................................................24
Hình 2.7. Các bước thi công và lắp mạch ......................................................24
Hình 2.8. Các khối mạch điện ........................................................................25
Hình 2.9. Sơ đồ Layout các khối mạch điện ...................................................25
Hình 3.1. Xung tín hiệu chân Trig (trên) và xung tín hiệu chân
Echo (dưới) .....................................................................................................27
Hình 3.2. Độ rộng xung tín hiệu trên chân Trig ............................................28
Hình 3.3. Chu kì xung tín hiệu trên chân Trig ...............................................28
3

Hình 3.4. Độ rộng xung tín hiệu trên chân Echo ứng với khoảng cách 20,5cm
trên cảm biến ...........................................................................................................29
Hình 3.5. Hình ảnh phóng to xung tín hiệu trên chân Echo ứng với khoảng
cách 20,5cm trên cảm biến......................................................................................29
Hình 3.6: Chu kì xung tín hiệu trên chân Echo ..............................................30
Hình 3.7. Đồ thị khớp hàm bậc 3 Origin........................................................31
Hình 3.8. Khổ giấy 3xA0 và các góc loe ........................................................33
Hình 3.9. Đường bao thể hiện bán kính hiệu dụng và bán kính sai số 5% của
cảm biến ..................................................................................................................35
Hình 3.10. Đường bao thể hiện bán kính hiệu dụng của cảm biến ................35

4


Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Thông số kĩ thuật cảm biến HY-SRF05 ............................................8
Bảng 1.2. Các đặc tính nổi bật vi điều khiển PIC 16F877A ..........................13
Bảng 1.3. I/O vi điều khiển PIC 16F877A .....................................................14
Bảng 1.4. Timer vi điều khiển PIC 16F877A .................................................15
Bảng 1.5. Ngắt vi điều khiển PIC 16F877A ...................................................16
Bảng 1.6. Sơ đồ chân LCD .............................................................................17
Bảng 3.1. Số liệu độ rộng xung ứng với khoảng cách ....................................30
Bảng 3.2. Sai số phép đo khoảng cách ...........................................................32
Bảng 3.3. Số liệu khoảng cách ghi nhận được theo góc ................................34

5


MỞ ĐẦU
Giới thiệu chung

Cảm biến là các thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng
không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được( như dòng điện, điện
thế, trở kháng…). Nguyên lý hoạt động của một cảm biến cũng chính là nguyên lý
của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động.
Cảm biến có vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người. Nhờ những
thành tựu khoa học và công nghệ vật liệu các cảm biến ngày càng được thu nhỏ kích
thước, cải thiện tính năng và mở rộng phạm vi ứng dụng. Cảm biến được sử dụng
rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm,ô tô,
trò chơi điện tử…
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Cảm biến khoảng cách có nhiều loại khác nhau như cảm biến hồng ngoại, cảm
biến siêu âm, cảm biến laser,…có những phương pháp đo và độ chính xác khác
nhau. Cảm biến phát ra đi một tín hiệu và thu về tín hiệu tương ứng; đo được
khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì vi điều khiển có thể xác định được
quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian.
Việc sử dụng cảm biến để đo khoảng cách đang là hướng nghiên cứu mới tại
Việt Nam. Đề tài này sẽ cung cấp một cách nhìn trực quan về khả năng đo đạc và
độ chính xác của cảm biến siêu âm HY-SRF05 tạo tiền đề cho việc ứng dụng cảm
biến vào khoa học – kỹ thuật, đời sống, sản xuất,…
2. Mục đích của đề tài
Từ số liệu thực nghiệm thu được, tiến hành thiết kế mạch đo và khảo sát đặc
tính của cảm biến HY-SRF05 để đánh giá khả năng hoạt động và những đặc tính
của cảm biến.
3. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến đo khoảng cách HY-SRF05.
- Tìm hiểu sơ đồ thuật toán và vi điều khiển 16F877A tương thích với cảm
biến HY-SRF05.
- Thiết kế mạch điện tử kết nối cảm biến, vi điều khiển.
6

- Khảo sát các đặc tính của cảm biến HY-SRF05 trên mạch điện tử vừa lắp
đặt.
4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Kiến thức về kỹ thuật số, vi điều khiển; lập trình pic
C; thiết kế và chế tạo mạch điện tử; lý thuyết môn Phương pháp thực nghiệm vật lý;
cách sử dụng phần mềm hỗ trợ Proteus và Origin.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này là phương pháp thực
nghiệm khoa học tiến hành chế tạo mạch điện tử và khảo sát các đặc tính của cảm
biến trên mạch điện tử vừa chế tạo.

7


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Cảm biến HY-SRF05
1.1.1. Giới thiệu cảm biến siêu âm HY-SRF05:
SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, đựoc thiết kế làm tăng tính linh hoạt,
tăng phạm vi hoạt dộng và giảm chi phí. Khoảng cách được tăng lên từ 3 mét đến 4
mét. Thêm một chế độ hoạt động mới (chân chọn chế độ nối đất) cho phép SRF05
sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi giúp tiết kiệm chân cho bộ
điều khiển. Khi chân chế độ được ngắt kết nối, SRF05 hoạt động với các chân kích
hoạt và chân phản hồi riêng biệt.

Hình 1.1. Cảm biến siêu âm HY-SRF05.
1.1.2. Thông số kĩ thuật:
Bảng 1.1. Thông số kĩ thuật cảm biến HY-SRF05.
Điện áp

5V

Dòng thấp

4mA

Tần số

40KHz

Phạm vi hoạt động

3cm - 4m

Đầu vào kích khởi

10uS

Xung va đập

Mức tín hiệu dương, bề rộng đối xứng
43x20x17 (mm)

Điều khiển tự động

Không định kích cỡ hoạt động, tự xử lí,
hoạt động nhanh

Tgian hoạt động

Thời gian hồi đáp, đưa tín hiệu điều khiển

8


1.1.3. Chế độ hoạt động
Cảm biến siêu âm HY-SRF05 có hai chức năng là phát analog và phát số.
Trong đề tài này sử dụng chức năng phát số với chân kích hoạt (Trig) và chân phản
hồi (Echo) riêng biệt. Để sử dụng chế độ này, chỉ việc ngắt kết nối chân mode vì
HY- SRF05 có một điện trở nội (pull-up resistor) ở chân này.

Hình 1.2. Sơ đồ chân cảm biến HY-SRF05.
1.1.4. Chức năng các chân
- Echo Output: chân đầu ra tín hiệu phản hồi về từ cảm biên.
- Triger Output: chân đầu vào kích hoạt.
- Mode: chân chế độ (không được kết nối ở chế độ một).
- Bộ năm chân còn lại được sử dụng để nạo chương trình một lần trong quá
trình sản xuất và không kết nối ngoại vi trong quá trình sử dụng.
1.1.5. Tính toán và xác định khoảng cách
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc được xác định bằng
công thức:
=
v v0 1 + α t . (1)

Với α =

1
độ-1 ; v0 = 332 m/s.
273

Nhưng công thức này cũng chỉ mang tính tương đối chính xác, để đơn giản
cho việc tính toán chọn vận tốc truyền âm trong không khí là 343 m/s. Nếu một cảm
biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng
thời gian từ lúc phát ra tới lúc thu về thì quãng đường mà sóng đã di chuyển trong
không gian hoàn toàn có thể xác định được. Quãng đường di chuyển của sóng bằng
hai lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật theo hướng phát của sóng siêu
9


âm.Khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý Time
of flight (TOF):
d=

v.t
. (2)
2

Hình 1.3: Nguyên lý TOF.
Trong đó: d - khoảng cách cần đo.
v - vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền song.
t - thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại.

1.1.6. Sai số và những hiện tượng cần hiệu chỉnh cho cảm biến
1.1.6.1 Sai số lặp
Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường nào, trong đó có
cả cảm biến siêu âm. Nhà sản xuất không thông báo về % sai số lặp của cảm biến
HY-SRF05 đó là một điều bất lợi nên việc chuẩn hóa kết quả đo bằng Origin là điều
tất yếu phải làm.
1.1.6.2. Hiện tượng forecasting
Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến. Do

nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc
với bề mặt chướng ngại vật cần đo. Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ
là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới. Các chùm tia
phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn. Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó,
cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này. Kết quả,
thông số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn.

10


Hình 1.4. Hiện tượng forecasting.
1.1.6.3. Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) của cảm biến
Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi
nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình
sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến.

Hình 1.5. Hiện tượng Crosstalk
1.2. VI ĐIỀU KHIỂN
1.2.1. Khái niệm vi điều khiển
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp thường được sử
dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển thực chất là một hệ thống bao
gồm một vi điều khiển có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi
điều khiển đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ,
các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang dạng tương tự...

11


Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất
hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện

thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v.
Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard,
kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết là lõi CPU, bộ nhớ chương trình
(thông thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ
định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi ở môi trường bên
ngoài. Tất cả chúng được thiết kế trong một vi mạch tích hợp. Vi điều khiển khác
với các bộ vi điều khiển đa năng ở chỗ nó có thể hoạt động chỉ với vài vi mạch hỗ
trợ bên ngoài [1].
1.2.2. Giới thiệu vi điều khiển 16F877A
Vi điều khiển được sử dụng trong bài luận văn này là PIC16F877A.
PIC16F877A có độ dài lệnh là 14 bit, chữ F cho biết vi điều khiển là EEPROM, chữ

BỘ XỬ LÍ
TRUNG
TÂM

Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ dữ liệu

A cuối cho biết PIC có bộ nhớ flash. PIC16F877A được thiết kế theo kiến trúc
Havard, CPU có thể cùng một lúc truy xuất cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ

liệu, giúp tăng tốc xử lí của vi điều khiển lên gấp đôi [2, tr12].
Hình 1.6. Kiến trúc Harvard.
PIC16F877A sử dụng tập lệnh RISC bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh
ghi, và các hằng số, hoặc các vị trí ô nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, nhảy, gọi
hàm và các lệnh quay trở về, cùng các chức năng khác như ngắt hoặc sleep.

12

1.2.3. Sơ đồ chân

Hình 1.7. Vi điều khiển PIC16F877A

Hình 1.8. Sơ đồ chân PIC 16F877A.

Trong sơ đồ chân của vi điều khiển PIC 16F877A chân 11, 32 được nối với
nguồn DC 5V; chân 12, 31 nối đất; chân 13, 14 nhận xung clock từ thạch anh; tín
hiệu reset sẽ được truyền đến PIC 16F877A qua chân số 1; 33 chân còn lại dùng kết
nối với các modul của vi điểu khiển [4, tr.2-3].
PIC16F877A với tập lệnh RISC gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều
được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20
MHz với một chu kì lệnh là 200 ns. Bộ nhớ chương trình 8k × 14 bits, bộ nhớ dữ
liệu 368 bytes RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256 bytes. Số
PORT I/O là 5 với 33 chân I/O (bảng 1.1) [4, tr.5-20].
Bảng 1.2. Các đặc tính nổi bật vi điều khiển PIC 16F877A.
SST
1
2
3
4
1
2

Đặc điểm
Điệp áp hoạt động
Công nghệ CMOS FLASH /EEPROM nguồn mức thấp, tốc độ cao.
Dải điện thế hoạt động rộng : 2,0V đến 5,5V.

Nguồn sử dụng hiện tại 25 mA.
Công suất tiêu thụ thấp.
Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu
Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần, dữ liệu lưu
trữ trên 40 năm.
13


3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
1
2
1
2
3

Bộ nhớ dữ liệu 368 bytes, 4 banks.
Tất cả các câu lệnh thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ một số câu
lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh.

Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp.
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.
Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial
Programming) thông qua 2 chân.
Chức năng bảo mật mã chương trình.
Chế độ Sleep.
Bộ định thời và CCP
Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng
đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở
chế độ sleep.
Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
Watchdog Timer với bộ dao động trong.
Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung.
Analoge
8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.
Hai bộ so sánh.
Chuẩn giao tiếp
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều
khiển RD, WR, CS ở bên ngoài [2,tr18].
1.2.4. Các modul vi điều khiển căn bản
a. Cổng xuất nhập I/O

Cổng xuất nhập (I/O port) là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác
với thế giới bên ngoài. Một số chân xuất nhập còn có thêm các chức năng khác để
thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại vi với bên ngoài [2].
Bảng 1.3. I/O vi điều khiển PIC 16F877A.
STT

1
2
3
4
5

CỔNG
Cổng A
Cổng B
Cổng C
Cổng D
Cổng E

SỐ CHÂN
6 chân: RA0, RA1.. RA5
8 chân: RB0, RB1,..RB7
8 chân: RC0, RC1, ..RC7
8 chân: RD0, RD1,..RD7
3 chân: RE0, RE1, RE2

14

THANH GHI SFR
PORTA, TRISA
PORTB, TRISB
PORTC, TRISC
PORTD, TRISD
PORTE, TRISE

Thanh ghi ghi TRIS phản ánh chức năng chân (input là 1 và output là 0) để ghi
giá trị vào các bít tương ứng trên thanh ghi.
Thanh ghi PORT phản ánh trạng thái (điện thế) của các chân (điện thế cao là 1
và điện thế thấp là 0) như thế nào ta đưa giá trị vào các bit tương ứng trên thanh ghi.
Ngoài ra thanh ghi PORTB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được
điều khiển bởi chương trình [2,tr20].
b. Timer
Trong ứng dụng này, Timer hoạt động như một bộ đếm (Counter), có nhiệm
vụ đếm số các xung đi vào một chân cụ thể trên vi điều khiển [4, tr.53-63].
Bảng 1.4. Timer vi điều khiển PIC 16F877A.
STT
1

Đặc điểm
8 bit (số đếm
tối đa của nó là
255), hoạt
động ở 2 chế
độ định thời và
độ đếm

Thanh ghi SFR
Timer0

Chức năng

TMR0 (01h, 101h)

Chứa giá trị đếm của Timer0

INTCON (0Bh,
8Bh, 10Bh, 18Bh)

Cho phép ngắt hoạt động (GIE và
PEIE)
Điều khiển Prescaler

OPTION_REG
(81h, 181h)

2

Timer1

16 bit (số đếm
tối đa của nó là
65535), hoạt
động ở 2 chế
độ định thời và
độ đếm

INTCON (0Bh,
8Bh, 10Bh, 18Bh)

Cho phép ngắt hoạt động (GIE và
PEIE)

PIR1 (0Ch)

Chứa cờ ngắt Timer1 (TMR1IF)

PIE1 (8Ch)

Cho phép ngắt Timer1 (TMR1IE)

TMR1L (0Eh)

Chứa giá trị 8 bit thấp của bộ đếm
Timer1

TMR1H (0Eh)

Chứa giá trị 8 bit cao của bộ đếm
Timer1

T1CON (10h)

Xác lập các thông số cho Timer1

3

Timer2
8 bit, hoạt
động phục vụ
chức năng
PWM - Pulse

INTCON (0Bh, Bh, Cho phép toàn bộ các ngắt (GIE và
PEIE)
10Bh, 18Bh)

Chứa cờ ngắt Timer2 (TMR2IF)

PIR1 (0Ch)
15


Width
Modulation

PIE1 (8Ch)

Chứa bit
(TMR2IE)

điều

TMR2 (11h)

Chứa giá trị đếm của Timer2

T2CON (12h)

Xác lập các thông số cho Timer2
[2,tr21].

khiển

Timer2

c. Ngắt

Ngắt là làm gián đoạn quá trình của một sự kiện đang xảy ra [4, tr.5-24].
Bảng 1.5. Ngắt vi điều khiển PIC 16F877A.
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Tên ngắt
Ngắt ngoài
Ngắt trạng thái
Ngắt tràn Timer0
Ngắt tràn Timer1
Ngắt tràn Timer2
Ngắt chuyển đổi analoge - digital
Bộ đệm chuyển RS232 trống
Dữ liệu nhập từ RS232 sẵn sàng
Có capture hay compare trên CCP1
Có capture hay compare trên CCP2

Có dữ liệu vào cổng parallel salve
Có hoạt động SPI hay I2C
Xung đột bus
Ghi vào eeprom hoàn tất
Kiểm tra bằng nhau comparator

Bit điều khiển
GIE, INTF, INTE
GIE, RBIF, RBIE
GIE, TMR0IF, TMR0IE
GIE, TMR1IF, TMR1IE, PEIE
GIE, TMR2IF, TMR2IE, PEIE
GIE, ADIF, ADIE, PEIE
GIE, TXIF, TXIE, PEIE
GIE, RCIF, RCIE, PEIE
GIE, CCP1F, CCP1IE, PEIE
GIE, CCP2F, CCP2IE, PEIE
GIE, PSPIF, PSPIE, PEIE
GIE, SSPIF, SSPIE, PEIE
GIE, BCLIF, BCLIE, PEIE
GIE, EEIF, EEIE, PEIE
GIE, CMIF, CMIE, PEIE
[2,tr24].

PIC16F877A có 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi
INTCON (bit GIE), mỗi ngắt đều có một bit điều khiển và cờ ngắt riêng. Lệnh
RETFIE được dùng để thoát khỏi chương trình ngắt và trở về chương trình chính,
đồng thời bit GIE cũng sẽ được gán để cho phép các ngắt hoạt động trở lại [2,tr24].
d. Giao tiếp USART
USART - Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter được

sử dụng để giao tiếp với các thiết bị ngọai vi, với các vi điều khiển khác hay với
máy tính. Các dạng của giao diện USART ngoại vi bao gồm:
-

Bất động bộ (Asynchronous);
Đồng bộ (Master mode);
Đồng bộ (Slave mode).

16


Hai pin dùng cho giao diện này là RC6/TX/CK và RC7/RX/DT. Ở chế độ bất
đồng bộ, RC6 đóng vai trò là chân truyền dữ liệu và RC7 là chân nhận dữ liệu. Ở
chế độ đồng bộ, RC6 đóng vai trò là chân truyền xung clock đồng bộ tín hiệu và
RC7 là chân truyền dữ liệu [4, tr.111-193].
1.2.5. Ngôn ngữ lập trình C++
Ngôn ngữ lập trình sử dụng cho PIC16F877A này là C++ vì:
- C++ kế thừa tất cả đặc điểm của ngôn ngữ cơ bản C,
- C++ đã được xây dựng sẵn hệ thống thư viện và các hàm phục vụ cho việc
sử dụng các khối chức năng đặc biệt của vi điều khiển PIC,
- C++ có khả năng kết hợp với ngôn ngữ hợp ngữ,
- Khả năng phát triển, nâng cấp ứng dụng là dễ dàng,
- Nhiều tính năng ưu việt được cập nhật giúp làm việc hiệu quả hơn.
1.3. MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÓ LIÊN QUAN.
1.3.1. LCD hiển thị
Trong đề tài này sử dụng LCD 16x2 để hiển thị số liệu khoảng cách vì nó khả
năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), được giao tiếp với
vi điều khiển 16F877A.
1.3.1.1. Các chân cơ bản của LCD

Hình 1.9. LCD 16×2.

Hình 1.10. Sơ đồ chân LCD 16×2.

Bảng 1.6. Sơ đồ chân LCD.
CHÂN

KÝ HIỆU

I/O

MÔ TẢ

1

VSS

-

Chân nối đất

2

VCC

-

Chân cấp nguồn 5V cho LCD

3

VEE

-

Điều chỉnh độ tương phản
17


4

RS

I

RS = 0: ghi dữ liệu, RS = 1: ghi lệnh

5

R/W

I

R/W = 1: đọc dữ liệu, R/W = 0: ghi dữ liệu

6

E

I/O

Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín
hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh
chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép
của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD
chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong
nó khi phát hiện một xung (high-to-low
transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất
ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (lowto-high transition) ở chân E và được LCD
giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức
thấp.

7

DB0

I/O

Bit dữ liệu

8

DB1

I/O

Bit dữ liệu

9

DB2

I/O

Bit dữ liệu

10

DB3

I/O

Bit dữ liệu

11

DB4

I/O

Bit dữ liệu

12

DB5

I/O

Bit dữ liệu

13

DB6

I/O

Bit dữ liệu

14

DB7

I/O

Bit dữ liệu

15

A

-

Nguồn dương cho đèn nền

16

K

-

GND cho đèn nền

1.3.1.2. Nguyên lí hoạt động.
Các chân 1,2,3 ứng với các chân VSS, VDD, VEE trong đó VSS chân nối
đất,VEE chân chọn độ tương phản, chân này được điều chỉnh qua một biến trở.
Chân VDD nối dương nguồn.Chân chọn thanh ghi RS - Register Select: Có hai

18


thanh ghi trong LCD, chân RS - Register Select được dùng để chọn thanh ghi, như
sau:
RS = 0: LCD ở chế độ ghi lệnh như xóa màn hình, bật tắt con trỏ. RS = 1:
LCD ở chế độ ghi dữ liệu như hiển thị ký tự, chữ số lên màn hình.
Chân đọc/ghi (R/W): Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên
LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin LCD khi R/W = 1. Chân cho phép E (Enable):
Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt dữ liệu của nó. Khi dữ liệu được
đến chân dữ liệu thì cần có 1 xung từ mức cao xuống mức thấp ở chân này để LCD
chốt dữ liệu, xung này phải có độ rộng tối thiểu 450 ns. Chân D0 – D7: Đây là 8
chân dữ liệu 8 bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các
thanh ghi trong LCD [2, trang 33].
1.3.2. Mạch nạp PICKit 2

Hình 1.11. Mạch nạp PICKit 2
Mạch nạp được sử dụng trong đề tài này là PICKit 2 Programmer/ Debugger
là một công cụ phát triển giá rẻ nhưng tính năng và độ ổn định cao, dễ dàng nạp và
gỡ lỗi PIC Microcontrollers Flash.Có khả năng tự cập nhật Firmware khi có phiên
bản mới.

1.3.3. IC nguồn 7805

19


Hình 1.12. IC nguồn 7805
IC nguồn 7805 có tác dụng nắn dòng điện 1 chiều ban đầu có điện áp từ 6 đến
18 thành dòng 5V và có cường độ dòng điện cực đại.
Chân Input nhận điện áp vào.
Chân GND là chân nối đất.
Chân Output cho điện áp đầu ra 5V.
1.3.4. Thạch anh 20 000 Hz

Hình 1.13. thạch anh 20 MHz
Thạch anh 20 MHz có tần số ổn định vì ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là các
mạch dao động RC.
Trong vi điều khiển bắt buộc phải có thạch anh vì các mạch logic muốn hoạt
động cần có xung clock, còn timer thì gồm các dãy FF cũng cần phải có xung để
đếm, với mỗi xung clock vi điều khiển sẽ thực thi một lệnh.

20


CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ KHẢO SÁT ĐẶC
TÍNH CẢM BIẾN.
2.1. Cấu tạo
2.1.1. Khối nguồn

Hình 2.1. Khối nguồn
Mạch nguồn được nối với điện áp xoay chiều có điện áp hiệu dụng là 6V,

cường độ dòng điện hiệu dụng là 1 Ampe. Dòng điện đi qua diode D1 trở thành
dòng điện 1 chiều. Tụ C2 và C1 có nhiệm vụ làm phẳng điện áp đầu vào trước khi
vào chân VI( điện áp đầu vào) của IC ổn áp (IC 7805). IC ổn áp 7805 có nhiệm vụ
ổn định điện áp đầu ra 5V và có dòng cực đại là 1A. Tụ C3 có nhiệm vụ lọc điện áp
đầu ra của IC 7805. Chân VO (điện áp đầu ra) của IC 7805 nối với đèn led D11 để
kiểm tloc5hoat5 động của khối nguồn.
2.1.2. Khối vi điều khiển

Hình 2.2. Khối vi điều khiển.

21


Khối vi điều khiển nhận điện áp 5V từ khối nguồn ở các chân 11 và 32, chân
12 và 31 nối đất. Chân có chức năng reset mạch khi nút K5 được nhấn. Thạch anh
truyền xung tần số 20MHz vào vi điều khiển thông qua chân 13 và 14. Chân 17 của
port C và chân 19, 21 của port D nối với cảm biến HY SRF-05 lần lượt là Echo,
Trig, Mode. Chân 33 đến 38 của port B được nối với 6 chân của khối hiển thị LCD
16x2.
Khi sử dụng vi điều khiển Pic 16F877A cần lưu ý:
- Khi tháo hoặc gắn chip vào mạch phải đảm bảo các chân song song để tránh
gãy chân của chip.
- Tránh tiếp xúc với độ ẩm cao.
- Tránh để nhiệt độ quá cao.
- Không nên để chip hoạt động liên tục quá lâu dễ gây cháy.
2.1.3. Khối giao tiếp cảm biến HY SRF-05

Hình 2.3. Khối giao tiếp cảm biến SRF-05.
- Triger Output: chân đầu vào kích hoạt được nối vào chân số 19 của vi điều
khiển.

- Echo Output: chân đầu ra tín hiệu phản hồi về từ cảm biến được nối vào chân
số 17 của vi điều khiển.
Để HY-SRF05 hoạt động cần một xung có độ rộng ít nhất là 10uS kích hoạt
lên chân TRI. Sau đó chờ phản hồi, tính hiệu phản hồi trở về từ chân Echo là một
xung có độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Bằng cách đo độ rộng
xung, có thể tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản. Nếu không phát hiện
vật thể thì SRF05 sẽ kéo dòng phản hồi xuống mức thấp sau 30mS.
2.1.4. Khối hiển thị (khối LCD 16x2)

22


Hình 2.4. Khối hiển thị
Chân 2 và 15 nhận điện áp cao 5V, chân 1 và 16 được nối với mặt đất.
Chân 3 được nối với biến trở, chân 5 nối đất.
Chân 4 và 6 lần lượt được nối với chân 38 và 37 của vi điều khiển.
Chân 7, 8, 9, 10 được bỏ trống.
Chân 11, 12, 13, 14 lần lượt được nối với các chân RB0, RB1, RB2, RB3 của
vi điều khiển sẽ hoạt động ở chế độ 4bit để hiển thị dữ liệu lên trên màn hình LCD.
2.2. Nguyên lý hoạt động
2.2.1. Giải thuật
Không
nhận
được
sóng
phản
hồi sau
30ms

Bắt đầu

Phát sóng âm
(Xung có độ
rộng 10us)

Trig

Nhận sóng
phản hồi

Echo

Kích hoạt timer
Đo thời gian
Dừng timer
Xác định
khoảng cách
bằng hàm
f(t)

Hình 2.5. Sơ đồ giải thuật đo khoảng cách
2.2.2. Nguyên lý hoạt động
SRF05 sẽ phát ra một tín hiệu siêu âm sau một khoảng thời gian ngắn timer01
bắt đầu đếm thời gian. Sau một khoảng thời gian ngắn khi cảm biến HY-SRF05
nhận được tín hiệu phản hồi từ chân Echo thì timer01 sẽ dừng đếm thời gian. Độ
rộng xung đo được từ timer01 tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Bằng
cách đo độ rộng xung, có thể tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản. Nếu

23

không phát hiện vật thể thì SRF05 sẽ kéo dòng phản hồi xuống mức thấp sau 30mS
và tiếp tục chu kỳ mới.
Hình 2.6. Xung trên chân TRIG và ECHO
Từ số liệu độ rộng xung thu nhận được trên chân ECHO nhưng thực tế thì ta
phải tiến hành đo và chuẩn hóa để xác định hàm truyền của cảm biến bằng phần
mềm Origin.
2.3. Quá trình gia công và lắp mạch
1. Mô phỏng Proteus

2. Thiết kế mạch in

3. Gia công

4. Hàn linh kiện

Hình 2.7. Các bước thi công và lắp mạch
2.3.1. Mô phỏng Proteus
Proteus VSM (Virtual Simulation Machine) của Labcenter Electronics là phần
mềm mô phỏng mạch điện với nhiều ưu điểm nổi trội như: mô phỏng được nhiều
linh kiện điện tử và các thiết bị hiển thị một cách trực quan, ngoài ra Proteus có khả
năng mô phỏng các chip vi điều khiển với chương trình do người dùng nạp. Proteus
hỗ trợ rất nhiều các chip vi điều khiển và thường được dùng để kiểm tra chương
trình trước khi nạp vào mạch.
Hình 2.3.1 được thực hiện bằng Schematic Capture trong Proteus mô phỏng

24


các khối của mạch đo khoảng cách.

Hình 2.8. Các khối mạch điện
2.3.2. Thiết kế mạch in
Trong Proteus nhấn ARES để chuyển sang trình thiết kế mạch in PCB layout.
Bố trí lại vị trí linh kiện: Chọn “Component Mode” sau đó sắp đặt từng linh

kiện cho hợp lý.
Hình 2.9. Sơ đồ Layout các khối mạch điện

2.3.3. Gia công mạch in
 Gia công mạch in thủ gồm các công đoạn sau:
+ Bước 1: vẽ mạch.
+ Bước 2: in mạch ra giấy (giấy thuốc, giấy decal hay giấy thủ công).
+ Bước 3: đo kích thước bo đồng và cắt bo.
+ Bước 4: ủi bo, vặn nhiệt độ bàn ủi tối đa, chú ý miết đều các mép.
+ Bước 5: làm sạch phần giấy bám trên mạch bằng cách ngâm nước lạnh.
+ Bước 6: dùng bột sắt (thuốc rửa mạch điện) pha nước để tiến hành ngâm
mạch, ngâm xong rửa mạch với nước sạch.
+ Bước 7: khoan lỗ.
 Tiến hành tuần tự các bước hàn sau:
+ Bước 1: hàn jumper (cầu nối).
25