NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA1280 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐỌC TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH TRÊN Ô TÔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Khoa Công nghệ Ô tô

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
ATMEGA1280 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐỌC
TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH
TRÊN Ô TÔ


1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.

Thành viên nhóm
Nguyễn Viết Đông
Bùi Văn Đức
Nguyễn Trung Đức
Phạm Văn Đức
Hoàng Mạnh Dũng

Bùi Duy Dương
Nguyễn Hải Dương
Nguyễn Khương Duy
Đỗ Văn Giang
Nguyễn Nhật Hoàng Giáp
Nông Văn Giới
Trần Văn Hách
Doãn Văn Hải
Dương Văn Hải


Lời nói đầu
Ngày nay kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật và
trong dân dụng. Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà
chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp bằng
những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng.
Vi điều khiển không những góp phần vào kỹ thuật điều khiển mà còn góp phần to
lớn vào việc phát triển thông tin. Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi
điều khiển là điều mà các sinh viên ngành điện, điện tử mà đặc biệt là chuyên ngành
kỹ thuật ô tô phải hết sức quan tâm. Đó chính là một nhu cầu cần thiết và cấp bách đối
với mỗi sinh viên, đề tài này được thực hiện chính là đáp ứng nhu cầu đó.
Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử
dụng đươc lại là một điều rất phức tạp. Phần công việc xử lý chính vẫn phụ thuộc vào
con người, đó chính là chƣơng trình hay phần mềm. Nếu không có sự tham gia của
con người thì hệ thống vi điều khiển cũng chỉ là một vật vô tri. Do vậy khi nói đến vi
điều khiển cũng giống nhƣ máy tính bao gồm 2 phần là phần cứng và phần mềm.
Dưới đây chúng em xin trình bày toàn bộ nội dung đồ án: “Nghiên cứu ứng dụng
vi điều khiển ATMEGA1280 thiết kế và chế tạo bộ đọc tín hiệu của cảm biến khoảng
cách trên ô tô”.
Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi sai sót, mong nhận được nhiều ý

kiến đóng góp của thầy và các bạn.


1.
2.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Các bộ phận cấu thành lên bộ đọc tín hiệu cảm biến:
Vi điều khiển ATMEGA1280.
Tụ đầu vào.


3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Tụ đầu ra.
IC ổn áp: Dòng tối đa 1000mA.
Bộ phận cấp nguồn.
Bộ chiết áp chỉnh dòng 5V.
Nút reset chương trình.
Màn hình hiển thị khoảng cách.
Một số điện trở.
I. CẢM BIẾN
1.Giới thiệu về cảm biến.
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật

lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu
thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.[1]
Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường,
phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo
đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác.
Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu
dò (probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi
luôn là "cảm biến" . Tuy nhiên trong nhiều văn liệu thì thuật ngữ cảm biến ít dùng cho
vật có kích thước lớn. Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại chi tiết, như
cái núm của công tắc bật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn lâm núm này làm việc
như một cảm biến.
Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

•

•

Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia
gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển
động, gia tốc, từ trường, trọng trường,...
Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,...
2. Cảm biến khoảng cách SRF05

-SRF05 là cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách với vật cản.SRF05 dùng
nguyên lý phản xạ của sóng siêu âm để đo khoảng cách. Cảm biến gồm một bộ phát và
một bộ thu sóng siêu âm. Sóng siêu âm từ đầu phát truyền đi trong không khí, gặp vật
cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạ ngược trở lại và được đầu thu ghi lại. Vận
tốc truyền âm thanh trong không khí là một giá trị xác định trước, ít thay đổi. Do đó

nếu xác định được khoảng thời gian từ lúc phát sóng siêu âm tới lúc nó phản xạ về đầu
thu sẽ quy đổi được khoảng cách từ cảm biến tới vật thể.
Khoảng cách đo : 3cm- 4m.
Tổng quan
SRF05 có thể thiết lập cách hoạt động thông qua các chân điều khiển MODE.
Nối hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển
thông qua giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO.
Cách 1 – Tách riêng chân TRIGGER và ECHO (tương thích với cảm biến
SRF04)
Module cảm biến SRF05 có hai chân TRIGGER và ECHO riêng biệt. Khi chân
MODE để trống (chân MODE có điện trở kéo lên VCC, khi để trống nó sẽ nhận mức
điện áp VCC) SRF05 sẽ sử dụng cả 2 chân chức năng TRIGGER và ECHO cho việc
điều khiển hoạt động của cảm biến.

Từ hình vẽ mô tả trên, để điều khiển SRF05 ở MODE1 cần cấp cho chân
TRIGGER một xung điều khiển với độ rộng tối thiểu 10uS. Sau đó một khoảng thời
gian, đầu phát sóng siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm, vi xử lý tích hợp trên modun sẽ tự
xác định thời điểm phát sóng siêu âm và thu sóng siêu âm. Vi xử lý tích hợp này sẽ đưa


kết quả thu được ra chân ECHO. Độ rộng xung vuông tại chân ECHO tỉ lệ với khoảng
cách từ cảm biến tới vật thể.
Cách 2: Sử dụng một chân cho cả TRIGGER và ECHO
Ở chế độ này, một chân của vi xử lý sẽ điều khiển quá trình phát xung của cảm
biến siêu âm và việc đọc tín hiệu trả về. Yêu cầu lúc đó chân MODE cần được nối đất
(GND). Đầu tiên xuất một xung với độ rộng tối thiểu 10uS vào chân TRIGGERECHO (chân số 3) của cảm biến. Sau đó vi xử lý tích hợp trên cảm biến sẽ phát ra tín
hiệu điều khiển đầu phát siêu âm. Sau 700uS kể từ lúc kết thúc tín hiệu điều khiển, từ
chân TRIGGER-ECHO có thể đọc ra một xung mà độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ
cảm biến tới vật thể.

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 burst của siêu âm ở 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 ttheo
inch /centimét hoặc bất cứ điều gì khác. Nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp
hơn dòngphản hồi của nó sau khoảng 30mS. SRF04 cung cáp 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.
-Sơ đồ chân:
Chân
VCC

Chức năng
Cấp nguồn cho cảm biến (5v)


Trig
Echo
OUT
GND

Chân kích để phát sóng âm đi.

Chân đọc sóng âm dội lại.
Không sử dụng
Nguồn GND

Ứng dụng của cảm biến khoảng cách trên ô tô
Đo khoảng cách. Giúp người lái xe có thể phát hiện được những vật cản mà không
quan sát được bằng gương khi lùi hoặc khi tầm nhìn bị tre khuất. Tạo khoảng cách an
toàn cho xe khi tham gia giao thông.
Tuy nhiên, không nên phụ thuộc quá nhiều vào hệ thống này vì hầu hết các loại
cảm biến không phát hiện được các vật thể sắc nhọn hoặc có bề mặt có tính phản
chiếu. Nói chung, với điều kiện đường xá và văn hóa giao thông của chúng ta hiện nay
thì hệ thống cảm biến khoản cách chủ yếu có tác dụng khi cần đỗ xe vào khoảng cách
hẹp và khi cần luồn lách tránh tắc đường.
II. VI ĐIỀU KHIỂN
1. Giới thiệu vi điều khiển.
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó 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 xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý 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 tương tự và tương tự sang số,... Ở máy tính thì các
mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài.
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.

2.Vi điều khiển: ATmega1280
- Điện áp đầu vào: 7 ~ 12V
- Digital I / O Pins: Số 54 (14 PWM đầu ra)
- Analog Pins Input: 16
- Flash Memory: 128KB

- SRAM: 8KB
- EEPROM: 4KB
-Kích thước: 4,25 x 2,09 trong x 0,51 in (10,8 cm x 5,3 cm x 1,3 cm)
-Trọng lượng: 2,54 oz (72 g)


- Sơ đồ chân:


- Sơ đồ khối:


III.TỤ ĐIỆN
Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được
ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thếtại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ
xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.
Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện
trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều,
sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong
mạch điện xoay chiều.
Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt
động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng
lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo
ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản
hơn, nó không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp
và xả rất nhanh. Đây là một ưu thế của nó so với ắc qui.


IV. IC ỔN ÁP
Vi mạch, hay vi mạch tích hợp, hay mạch tích hợp (integrated circuit, gọi

tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh) là tập cácmạch điện chứa các linh
kiện bán dẫn (như transistor) và linh kiện điện tử thụ động (như điện trở) được kết
nối với nhau, để thực hiện được một chức năng xác định. Tức là mạch tích hợp
được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một linh kiện phức hợp. Các linh
kiện kích thước cỡ micrômét (hoặc nhỏ hơn) chế tạo bởi công nghệ silicon.
Mạch tích hợp giúp giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều, bên cạnh đó là
độ chính xác tăng lên. IC là một phần rất quan trọng của các mạch logic. Có nhiều
loại IC, lập trình được và cố định chức năng, không lập trình được. Mỗi IC có tính
chất riêng về nhiệt độ, điện thế giới hạn, công suất làm việc, được ghi trong bảng
thông tin (datasheet) của nhà sản xuất.[2]
Hiện nay, công nghệ silicon đang tính tới những giới hạn của vi mạch tích hợp
và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra một loại vật liệumới có thể thay thế công
nghệ silicon này.

V.ĐIỆN TRỞ
Điện trở là một linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện có biểu tượng

Điện trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng
điện của điện trở. Điện trở kháng được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa
hai đầu vật thể đó với cường độ dòng điện đi qua nó.

trong đó:
U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V).
I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A).
R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).
Thí dụ như có một đoạn dây dẫn có điện trở là 1Ω và có dòng điện 1A
chạy qua thì điện áp giữa hai đầu dây là 1V.




Bảng kết quả đo thử nghiệm
Vị trí đo(cm) Kết quả đo của cảm
biến(cm)
40
40
80
79.5
120
120.1
160
162.2
200
202.5
240
243
280
281
320
319
360
354
400
415

Sai số(%)
0
0.625
0.083
1.375

1.25
1.25
0.357
0.3125
1.667
3.75