Mạch đo khoảng cách trong không gian dùng Arduino và SRF05
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.18 MB, 34 trang )
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN 2
ĐO KHOẢNG CÁCH TRONG KHÔNG
GIAN VỚI SRF05 VÀ ARDUINO
Người hướng dẫn: TS. VÕ PHÚ THOẠI
Người thực hiện: HOÀNG SƠN TÙNG
Lớp
: 13040203
Khoá
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2016
i
: 17
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài “Đồ án 2: Đo khoảng cách trong không gian
với SRF05 và Arduino”, Tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của
tập thể cán bộ, giảng viên khoa Điện – Điện Tử, tập thể Ban Giám Hiệu nhà trƣờng,
cán bộ các phòng, ban chức năng Trƣờng Đại Học Tôn Đức Thắng. Tôi xin bày tỏ
lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
TS. Võ Phú Thoại – Đã trực tiếp hƣớng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành đồ án
này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè của Tôi đang học tập tại Trƣờng Đại Học
Tôn Đức Thắng và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi
trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đồ án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn …
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Tác giả
ii
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH
TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự
hƣớng dẫn khoa học của TS Võ Phú Thoại. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong
đề tài này là trung thực và chƣa công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng nhƣ số
liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn
gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trƣờng đại học Tôn Đức Thắng không
liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình
thực hiện (nếu có).
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Tác giả
(ký tên và ghi rõ họ tên)
iii
MỤC LỤC
MỤC LỤC…. .................................................................................................................. IV
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................. VIII
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................................1
1.1
GIỚI THIỆU ..................................................................................................................1
1.1.1
Đề tài ...................................................................................................................1
1.1.2
Yêu cầu của để tài ...............................................................................................1
1.2
GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ....................................................................................................1
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................................2
2.1
SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG ........................................................................................2
2.2
CÁC LINH KIỆN CHÍNH TRONG MẠCH ...........................................................................2
2.2.1
Arduino UNO R3 .................................................................................................3
2.2.2
LCD 1602 ............................................................................................................6
2.2.3
Cảm biến siêu âm SRF05 ....................................................................................9
2.3
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH .........................................................................10
CHƢƠNG 3. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ....................................................................12
3.1
SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT.....................................................................................................12
3.2
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .............................................................................................13
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THI CÔNG MẠCH ..............................................................14
4.1
MÔ HÌNH ...................................................................................................................14
4.2
KẾT QUẢ ...................................................................................................................14
4.2.1
Thi công mạch in ...............................................................................................14
4.2.2
Thi công mạch ...................................................................................................16
CHƢƠNG 5. ỨNG DỤNG ..............................................................................................19
5.1
ĐO KHOẢNG CÁCH Ô TÔ ............................................................................................19
iv
5.2
ĐO MỨC NƢỚC ..........................................................................................................19
5.3
ỨNG DỤNG KHÁC ......................................................................................................19
CHƢƠNG 6. NHẬN XÉT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................20
6.1
NHẬN XÉT .................................................................................................................20
6.2
HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................................20
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................21
PHỤ LỤC…......................................................................................................................22
v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 2-1: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG..................................................................2
HÌNH 2-2: VI XỬ LÝ ATMEGA328 TRÊN ARDUINO UNO R3 [3] .........................3
HÌNH 2-3: CÁC CHÂN NĂNG LƢỢNG ........................................................................4
HÌNH 2-4: CÁC CỔNG VÀO RA CỦA ARDUINO UNO R3 [3].................................5
HÌNH 2-5: CỬA SỔ LÀM VIỆC CỦA PHẦN MÊM ARDUINO IDE ........................6
HÌNH 2-6: LCD 1602 MÀU XANH LÁ [4] .....................................................................7
HÌNH 2-7: HÌNH ẢNH CÁC CHÂN CHỨC NĂNG CỦA LCD 1602 [6] ...................8
HÌNH 2-8: MẠCH CHUYỂN GIAO TIẾP LCD1602 SANG I2C ................................8
HÌNH 2-9: CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 [7] .................................................................9
HÌNH 2-10: CÁC CHÂN SRF05 ....................................................................................10
HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT ..................................................................................12
HÌNH 3-2: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÊN PHẦN MỀM ARDUINO IDE .........13
HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ KẾT NỐI ..........................................................................................14
HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ NỐI DÂY .........................................................................................14
HÌNH 4-3: MẠCH IN ......................................................................................................15
HÌNH 4-4: MẶT SAU CỦA MẠCH IN THỰC TẾ ......................................................15
HÌNH 4-5: MẶT TRƢỚC CỦA MẠCH ........................................................................16
HÌNH 4-6: MẠCH SAU KHI THI CÔNG ....................................................................16
HÌNH 4-7: HIỆN THỊ KHOẢNG CÁCH TRÊN LCD ................................................17
HÌNH 4-8: KHI KHOẢNG CÁCH NHỎ HƠN 5CM ..................................................17
HÌNH 4-9: KHI KHOẢNG CÁCH LỚN HƠN 400CM ...............................................18
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 2-1: CÁC LINH KIỆN CHÍNH TRONG MẠCH ..............................................2
BẢNG 2-2: MỘT VÀI THÔNG SỐ .................................................................................3
BÀNG 2-3: CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA LCD 1602 ..............................................7
vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
cm
Centimet
LCD
Liquid Crystal Display
LED
Light-Emitting Diode
DC
Direct Current
GND
Ground
RX
Receiver
TX
Transmit
IDE
Intergrated Development Environment
V
Volt
Vin
Voltage Input
SRAM
Static Random Access Memory
EEPROM
Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory
USB
Universal Serial Bus
MHz
Megahertz
PWM
Pulse Width Modulation
KB
Kylobyte
mA
Miliampe
MPU
Multiple Port Unit
I2C
Inter- Integrated Circuit
SDA
Serial Data
SCL
Serial Clock
E
Enable
RS
Register select
R/W
Read/Write
viii
SPI
Peripheral Interface Serial
TTL
Transistor-Transistor Logic
ix
ĐỒ ÁN 2
Trang 1/25
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu
1.1.1 Đề tài
Nội dung đề tài: là một mạch điện tử đơn giản sử dụng cảm biến siêu âm SRF05
và Arduino UNO R3 để đo khoảng cách trong không gian và hiện thị kết quả ra
màn hình LCD.
1.1.2 Yêu cầu của để tài
-
Tìm hiểu Arduino UNO R3.
-
Tìm hiểu cảm biến siêu âm SRF05.
-
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch.
-
Tìm hiểu về LCD.
-
Lắp ráp và thi công mạch.
-
Lập trình điều khiển.
1.2 Giải quyết vấn đề
Các bƣớc giải quyết vấn đề:
-
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch và các linh kiện chính.
-
Thi công mạch.
-
Lắp ráp và lập trình điều khiển.
-
Nhận xét.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 2/25
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2-1: Sơ đồ khối của hệ thống
Ý nghĩa của các khối
-
Khối nguồn: cung cấp năng lƣợng cho các linh kiện trong mạch hoạt
động.
-
Khối cảm biến: là cảm biến siêu âm SRF05 có tác dụng đo khoảng
cách dựa trên nguyên lý thu phát siêu âm.
-
Khối điều khiển: có chức năng tính toán và xuất kết quả ra LCD.
-
Khối hiện thị: hiện thị kết quả.
2.2 Các linh kiện chính trong mạch
Bảng 2-1: Các linh kiện chính trong mạch
Linh kiện
Số lƣợng
Arduino Uno R3
1
SRF05
1
LCD 1602
1
Mạch giao tiếp I2C
1
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 3/25
2.2.1 Arduino UNO R3
2.2.1.1 Một vài thông số
Bảng 2-2: Một vài thông số
Vi điều khiển
ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động
5V DC (nguồn đƣợc cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động
16MHz
Dòng tiêu thụ
Khoảng 30mA
Điện áp vào
7 - 12V DC
Điện áp vào giới hạn
6 - 20V DC
Số chân Digital I/O
14 (có sáu chân hardware PWM)
Số chân Analog
6 (có độ phân giải là 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
30mA
Dòng ra tối đa (chân 5V)
500mA
Dòng ra tối đa (chân 3.3V)
50mA
Bộ nhớ flash
32KB với 0.5KB dùng bởi bootloader
SRAM
2KB
EEPROM
1KB
2.2.1.2 Vi điều khiển
Arduino UNO có thể sử dụng ba vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328.
Hình 2-2: Vi xử lý ATmega328 trên Arduino UNO R3 [3]
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 4/25
2.2.1.3 Nguồn cung cấp điện
Arduino có thể đƣợc cấp nguồn qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài có điện áp
là 7 - 12V DC và có giới hạn là 6 - 20V.
Tuy nhiên nên cấp nguồn pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có nguồn cấp
từ cổng USB.
Nếu cấp nguồn vƣợt quá giới hạn, có thể làm hỏng Arduino.
2.2.1.4 Các chân năng lƣợng
Chân GND: là cực âm nguồn điện nối với Arduino
Chân 5V: điện áp ra 5V, dòng tối đa cho phép là 500mA.
Chân 3.3V: điện áp ra 3.3V, dòng tối đa cho phép là 50mA.
Chân Vin: dùng để cấp nguồn ngoài cho Arduino hoạt động.
Chân IOREF: có điện áp là 5V nhƣng chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
Chân RESET: dùng để reset vi điều khiển.
Hình 2-3: Các chân năng lƣợng
2.2.1.5 Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega328 cung cấp:
-
32KB bộ nhớ Flash: đây là nơi lƣu trữ các lệnh lập trình. Thƣờng thì có
khoảng vài KB đƣợc dùng cho bootloader nhƣng ít khi nào sử dụng quá
20KB.
-
2KB cho SRAM: đây là nơi lƣu trữ các biến đƣợc khai báo. Khi mất điện,
dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
-
1KB cho EEPROM: là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu và không bị mất khi
cúp điện.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 5/25
2.2.1.6 Các cổng vào ra
Hình 2-4: Các cổng vào ra của Arduino UNO R3 [3]
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chỉ có hai mức
điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ ra tối đa là 40mA. Một số chân digital đặc biệt
nhƣ sau:
-
Hai chân Serial: 0 (chân RX) và 1 (chân TX) dùng để gửi và nhận dữ liệu
TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua hai
chân này.
-
Chân PWM (~): các chân 3, 5, 6, 9, 10, và 11 cho phép xuất ra xung
PWM với độ phân giải 8bit có giá trị từ 0 → 255 tƣơng ứng với 0V →
5V.
-
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài
các chức năng thông thƣờng, bốn chân này còn dùng để truyền phát dữ
liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
-
Chân 13: trên Arduino UNO có một đèn led màu cam. Khi nhấn nút
Reset, đèn này sẽ nhấp nháy để báo hiệu. Đèn này đƣợc nối với chân số
13 của Arduino. Khi chân này đƣợc sử dụng, LED sẽ sáng.
Ngoài ra, Arduino UNO có sáu chân analog từ A0 → A5 cung cấp độ phân giải
tín hiệu 10bit có giá trị từ 0 → 1023 để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 6/25
Đặc biệt, Arduino UNO có hai chân A4 (chân SDA) và A5 (chân SCL) có khả
năng hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác nhƣ LCD.
2.2.1.7 Lập trình cho Arduino
Để lập trình cũng nhƣ gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát
triển đã cũng cấp môi trƣờng lập trình Arduino đƣợc gọi là Arduino IDE.
Hình 2-5: Cửa sổ làm việc của phần mêm Arduino IDE
2.2.2 LCD 1602
2.2.2.1 Hình dạng và kích thƣớc
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thƣớc khác nhau.
Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (IC HD44780) bên
trong lớp vỏ và chỉ đƣa các chân giao tiếp cần thiết.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 7/25
Hình 2-6: LCD 1602 màu xanh lá [4]
2.2.2.2 Chức năng các chân
Bàng 2-3: Chức năng các chân của LCD 1602
Chân
Ký hiệu
Mô tả
1
Vss
Chân nối cực âm của nguồn cho LCD
2
VDD
Chân cấp nguồn cho LCD
3
Vo
Điều chỉnh độ tƣơng phản của LCD.
4
RS
Chân chọn thanh ghi.
5
R/W
Chân chọn chế độ đọc/ghi.
6
E
Chân cho phép.
7 - 14
DB0 - DB7
Tám đƣờng của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin
với MPU
15
A
Nguồn dƣơng cho đèn nền
16
K
Nguồn âm cho đèn nền
Ghi chú : Ở chế độ “đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua các
chân DBx.
Còn khi ở chế độ “ghi”, nghĩa là MPU xuất thông tin điều khiển cho LCD thông
qua các chân DBx.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 8/25
Hình 2-7: Hình ảnh các chân chức năng của LCD 1602 [6]
2.2.2.3 Giao tiếp I2C
I2C, viết tắt của từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”, là một loại bus nối tiếp
đƣợc phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips. Ban đầu, loại bus này
chỉ đƣợc dùng trong các linh kiện điện tử của Philips. Sau đó, do tính ƣu việt và đơn
giản của nó, I2C đã đƣợc chuẩn hóa và đƣợc dùng rộng rãi trong các mô đun truyền
thông nối tiếp của vi mạch tích hợp ngày nay.
Hình 2-8: Mạch chuyển giao tiếp LCD1602 sang I2C
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 9/25
Với mạch chuyển giao tiếp LCD1602 sang I2C chỉ cần hai chân tín hiệu (chân
SDA và SCL) để truyền dữ liệu cần hiển thị từ Arduino tới LCD thay vì bảy chân
nhƣ khi kết nối trực tiếp LCD với Arduino.
2.2.3 Cảm biến siêu âm SRF05
2.2.3.1 Thông số và các chân
Hình 2-9: Cảm biến siêu âm SRF05 [7]
Thông số kỹ thuật của linh kiện điện tử cảm biến siêu âm SRF05:
-
Điện áp hoạt động 5V.
-
Dòng tiêu thụ: nhỏ hơn 2mA
-
Khoảng cách đo 3cm – 5m (mạch thực tế khoảng cách đo là 5cm đến 4m
để dễ thực hiện).
-
Góc quét nhỏ hơn 15 độ.
Chức năng chân của SRF05:
-
Chân Vcc là chân nối nguồn 5V.
-
Chân Trigger là chân phát.
-
Chân Echo là chân thu.
-
Chân Out là chân có thể tự phát và thu không cần hai chân Trigger và
Echo.
-
Chân GND là chân nối cực âm của nguồn.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 10/25
Hình 2-10: Các chân SRF05
2.2.3.2 Nguyên lý hoạt động
SRF05 là linh kiện điện tử sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng âm để đo
khoảng cách. Khi muốn đo khoảng cách cảm biến siêu âm SFR05 sẽ phát ra một
xung tín hiệu có tần số 40KHz với thời gian là 10microsecond.
Khi phát xung và chờ xung phản hồi về, chân Echo đƣợc kéo lên mức cao, khi
có xung phản xạ về chân Echo sẽ đƣợc kéo xuống thấp hoặc sau 30ms mà không có
xung phản xạ về chân Echo thì cũng đƣợc kéo xuống thấp. Sau đó SRF05 sẽ phát ra
xung về Arduino để bắt đầu đo.
2.3 Nguyên lý hoạt động của mạch
Mạch hoạt động chủ yếu dựa vào hoạt động của cảm biến siêu âm SRF05 dƣới
sự điều khiển của Arduino.
Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340m/s, tƣơng ứng với
29,412microseconds/cm.
Khi đã tính đƣợc thời gian, ta sẽ chia cho 58,842microseconds để nhận đƣợc
khoảng cách do khoảng thời gian đo đƣợc là hai lần khoảng cách (phát, thu).
Dựa trên nguyên lý hoạt động của SRF05, ta có:
-
Khoảng cách tối đa đo đƣợc là 30ms/58.842us =509cm.
-
Tối thiểu là 20us/58.842us=0.3cm.
-
Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc thực hiện ta chọn khoảng cách đo là từ
5cm đến 400cm.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 11/25
Khi tính toán xong, Arduino sẽ gửi tín hiệu cho LCD thông qua giao tiếp I2C để
hiện thị kết quả.
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 12/25
CHƢƠNG 3. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.1 Sơ đồ giải thuật
Bắt đầu
Đo khoảng cách
Đúng
5<=khoảng
Sai
cách<=400
Hiện thị
Đúng
khoảng cách
Khoảng
Sai
cách<5
Khoảng cách
Khoảng cách
quá xa
quá gần
Kết thúc
Hình 3-1: Sơ đồ giải thuật
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 13/25
3.2 Lập trình điều khiển
Tiến hành lập trình cho mạch bằng phần mềm Arduino IDE
Hình 3-2: Lập trình điều khiển trên phần mềm Arduino IDE
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 14/25
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THI CÔNG MẠCH
4.1 Mô hình
Kết nối mạch nhƣ hình sau:
Hình 4-1: Sơ đồ kết nối
4.2 Kết quả
4.2.1 Thi công mạch in
Mô phỏng sơ đồ nối dây trên phần mềm Proteus
Hình 4-2: Sơ đồ nối dây
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 15/25
Mô phỏng mạch in
Hình 4-3: Mạch in
Mạch in thực tế
Hình 4-4: Mặt sau của mạch in thực tế
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
ĐỒ ÁN 2
Trang 16/25
Hình 4-5: Mặt trƣớc của mạch
4.2.2 Thi công mạch
Mạch sau khi hoàn thành
Hình 4-6: Mạch sau khi thi công
Đo khoảng cách
SVTH: Hoàng Sơn Tùng
