Luận văn thạc sĩ thiết kế hệ thống đo khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại

...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
............

............

ðINH THẾ HẢI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO KHOẢNG CÁCH
SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ðiện khí hố sản xuất nơng nghiệp và nơng thơn
Mã số:

60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HỒI LINH

Hà Nội – 2012


LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan rằng đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa cơng bố trong cơng trình khoa học nào
trước đó.
Tơi xin cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong bản luận văn của tơi đều được chỉ rõ
nguồn gốc.

Tác giả

ðinh Thế Hải

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

i


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội,
trường ðại học Bách khoa Hà Nọi Tơi đã hồn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
với ñề tài: “ Thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại”.
Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TSKH Trần Hồi Linh đã tận tình hướng dẫn và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cám ơn Bộ mơn Tự động hóa – Khoa cơ điện, Viện sau ðại học
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội đã đọc và đóng góp nhiều ý kiến q báu để luận văn
của tơi được hồn chỉnh hơn.
Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao
ñẳng nghề Cơ điện Tây Bắc nơi tơi cơng tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tơi hồn
thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã động
viên khích lệ để hồn thành luận văn này.
Hồ Bình , tháng 9 năm 2012
Tác giả

ðinh Thế Hải

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

ii


mơc lơc

MỞ ðẦU ................................................................................................................ 1
1.

ðặt vấn đề .................................................................................................... 1

2.

Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 1

2.1.

Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách
sử dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển động gồm:.......... 2

2.2.

Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau:.............................. 2

2.3.

Tìm hiểu về các cảm biến đo khoảng cách bằng siêu âm .............................. 2

2.4.

Tìm hiểu về một số cảm biến ño khoảng cách bằng hồng ngoại.................... 3

3.

Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 4

4.

Phạm vi ứng dụng ....................................................................................... 4

5.

Giới thiệu về các chương mục của luận văn.................................................. 4

Chương I: GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ðO KHOẢNG CÁCH VÀ MỘT
SỐ CÁC CẢM BIẾN ðO KHOẢNG CÁCH ............................................ 7
1.1.

Bài tốn đo khoảng cách............................................................................... 7

1.2.

ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm ....................................................... 8

1.2.1. Sơ ñồ nguyên lý chung.................................................................................. 9
1.2.2. Nguyên lý ño ................................................................................................ 9
1.2.3. Tầm quét của cảm biến siêu âm .................................................................. 10
1.2.4. Thông số của một số loại cảm biến siêu âm ................................................ 11
1.3.

ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài ............. 11

1.3.1. Vật liệu và tia hồng ngoại ............................................................................ 11
1.3.2. Cơ sở vật lý ................................................................................................. 12
1.3.3. Một số loại cảm biến hồng ngoại ................................................................. 12
1.3.4. Cảm biến hồng ngoại GP2D12..................................................................... 13
Chương II: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH
BẰNG CẢM BIẾN ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC ......................... 18
2.1.

Lý do lựa chọn giải pháp ............................................................................ 18

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

iii


2.2.

Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá đỡ dịch
chuyển........................................................................................................ 19

2.2.1. Ngun lý phần cơ khí ................................................................................. 20
2.2.2. Nguyên lý phần ðiện ñiều khiển .................................................................. 21
Chương III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH VỚI ðẦU ðO
DỊCH CHUYỂN ðƯỢC .......................................................................... 25
3.1.

Sơ ñồ khối và chức năng các khối .............................................................. 25

3.1.1. Sơ ñồ khối ................................................................................................... 25
3.1.2. Chức năng các khối...................................................................................... 25
3.2.

Lựa chọn và thiết kế khối Vi xử lý trung tâm............................................. 26

3.2.1. Tổng quan về vi ñiều khiển.......................................................................... 26
3.2.2. ðánh giá các dịng vi điều khiển PIC ........................................................... 26
3.2.3. Vi ñiều khiển PIC16F886 ............................................................................ 27
3.3.

Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến và ADC .............................................. 33

3.3.1. Khối cảm biến.............................................................................................. 33
3.3.2. Chuyển ñổi ADC........................................................................................ 34
3.4.

Lựa chọn và thiết kế khối ñiều khiển ñộng cơ bước.................................... 38

3.4.1. ðộng cơ bước............................................................................................. 38
3.4.2. Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước................................................................... 40
3.5.

Lựa chọn và thiết kế khối LCD.................................................................. 41

3.6.

Lựa chọn và thiết kế khối các phím điều khiển ........................................... 43

3.6.

Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông RS-232.......................................... 44

3.7.

Các khối khác trong hệ thống ..................................................................... 46

3.7.1. Khối nguồn ............................................................................................... 46
3.7.2. Khối công tắc hành trình ........................................................................... 46
3.7.3. Khối cịi tín hiệu......................................................................................... 47
3.8.

Thiết kế tổng thể mạch thiết bị ................................................................... 48

3.8.1. Mạch nguyên lý tổng thể ........................................................................... 48
3.8.2. Các khối trong sơ ñồ và phần mềm thiết kế ................................................ 49
3.8.3. Thuật tốn hoạt động.................................................................................. 50

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

iv


3.9.

Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý ..................................................... 51

3.9.1. Tổng quan về CCS ..................................................................................... 51
3.9.2. Giới thiệu về CCS ...................................................................................... 52
3.9.3. Giao diện của CCS .................................................................................... 52

3.10. Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC ....................................... 58
Chương IV: CÁC KẾT QUẢ TRIỂN KHAI ..................................................... 59
4.1.

Mạch phần cứng......................................................................................... 59

4.1.1. Mạch phần cứng phần ñiện......................................................................... 59
4.1.2. Mạch phần cứng cơ khí .............................................................................. 62
4.2.

Phần mềm vi xử lý ..................................................................................... 64

4.2.1. File Project (main.Pjt) ................................................................................ 65
4.2.2. File.c (main.c) ............................................................................................ 65
4.2.3. File *.h ....................................................................................................... 65
4.2.4. Cài ñặt khoảng cách ño của cảm biến ......................................................... 68
4.2.5. Kết luận...................................................................................................... 69
4.3.

Phần mềm tích hợp trên PC ........................................................................ 69

4.3.1. Cài đặt cáp với PC ....................................................................................... 69
4.3.3. Thao tác kết hơp Terminal với Hệ thống ño và PC ..................................... 69
4.4.

Các kết quả thử nghiệm .............................................................................. 71

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ ................................................................................... 72
1.

Kêt luận...................................................................................................... 72

2.

ðề nghị ...................................................................................................... 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 73

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

v


danh mơc b¶ng

Bảng 1.1. Thơng số của một số cảm biến siêu âm ..................................................11
Bảng 2.1: Giá một số cảm biến ño khoảng cách thông dụng ..................................18
Bảng 3.1: Mô tả chức năng các chân của vi ñiều khiển PIC16F886 .......................29
Bảng 3.2: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã ............................................................36
Bảng 3.3: Các chân và chức năng trên ñầu nối cổng loại 9 chân ............................45

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vi


Danh mơc h×nh
Hình 1.1: Sơ đồ bài tốn đo khoảng cách.................................................................7
Hình 1.2: Sơ đồ ngun lý chung cảm biến siêu âm.................................................9
Hình 1.3: Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm ....................................................9

Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm .............................................................10
Hình 1.5: Hình ảnh của GP2D12 ...........................................................................13
Hình 1.6: Sơ đồ khối nội bộ của GP2D12 ..............................................................13
Hình 1.7: Giản đồ trạng thái của GP2D12..............................................................14
Hình 1.8: Khác góc và khác khoảng cách ..............................................................15
Hình 1.9: Tín hiệu ra .............................................................................................15
Hình 1.10: ðường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức điện áp ra của GP2D12.........16
Hình 1.11: Một cách bố trí cảm biến......................................................................16
Hình 1.12: Tăng góc quay quan sát của cảm biến ..................................................17
Hình 1.13: Bố trí tụ lọc giữa output và ground của GP2D12..................................17
Hình 2.1: Nguyên lý chung phần cơ khí.................................................................20
Hình 2.2: Kết cấu cơ khi bánh răng và thanh răng .................................................21
Hình 2.3: Kết cấu giữa trục đỡ và thanh ray...........................................................21
Hình 2.4: Tính tốn chiều khoảng cách dịch chuyển ..............................................22
Hình 2.5: Vị trí ban đầu của hệ thống đo ...............................................................23
Hình 2.6: Xác định khoảng cách đo .......................................................................24
Hình 3.1: Sơ đồ khối và các khối chức năng thiết bị đo .........................................25
Hình 3.2: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F886 .....................................................27
Hình 3.3: Cấu trúc vi điều khiển PIC16F886 .........................................................28
Hình 3.4: Sơ đồ thiết kế mạch vi xử lý trung tâm...................................................32
Hình 3.5. Sơ đồ khối cảm biến...............................................................................33
Hình 3.6. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh..........................................................35
Hình 3.7: Analog và digital của hàm sin. ...............................................................37
Hình 3.8: ðộng cơ bước nam châm vĩnh cửu 6 đầu dây ra.....................................38
Hình 3.9: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước.....................................................40
Hình 3.10: Sơ đồ khối bên trong IC L293D ...........................................................40
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vii

Hình 3.11: Hình ảnh IC L293D .............................................................................41
Hình 3.12: Thiết kế khối LCD ...............................................................................42
Hình 3.13: Nút bấm SW1 ......................................................................................43
Hình 3.14: Nút bấm SW2 ......................................................................................43
Hình 3.15: Nút bấm SW3 ......................................................................................43
Hình 3.16: Khối truyền thơng RS232.....................................................................44
Hình 3.17. Khối nguồn ..........................................................................................46
Hình 3.18. Khối cơng tắc hành trình ......................................................................46
Hình 3.19. Khối cịi tín hiệu ..................................................................................47
Hình 3.20: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị ................................................48
Hình 3.21: Tab General trong giao diện CCS.........................................................53
Hình 3.22: Tab Communications trong giao diện CCS ..........................................54
Hình 3.23: Tab SPI and LCD trong giao diện CCS ...............................................55
Hình 3.24: Tab Timer trong giao diện CCS ..........................................................55
Hình 3.25: Tab Analog trong giao diện CCS ........................................................56
Hình 3.26: Tab “Other” trong giao diện CCS .......................................................56
Hình 3.27: Tab Interrupts trong giao diện CCS.....................................................57
Hình 3.28: Tab Interrupts trong giao diện CCS.....................................................57
Hình 4.1. Thiết kế của mạch in mặt phía trên (a) và mặt phía dưới (b)...................59
Hình 4.2. Mạch in hình thiết bị mặt trên ................................................................60
Hình 4.3. Mạch in hình thiết bị cả mặt trên và mặt dưới ........................................60
Hình 4.5. Mạch in 3D ............................................................................................61
Hình 4.6. Ảnh mạch điện phần cứng hồn thiện.....................................................61
Hình 4.7. Màn hình LCD 16x2 sau khi đã kết nối với phần cứng mạch điện..........62
Hình 4.8. Kết cấu giữa động cơ bước và thanh răng...............................................63
Hình 4.9. Kết cấu giữa thanh răng và máng trượt...................................................63
Hình 4.10. Ảnh tổng thể thiết bị mặt trước.............................................................64
Hình 4.11. Ảnh tổng thể thiết bị mặt bên ...............................................................64
Hình 4.12. Khởi động Terminal.............................................................................70

Hình 4.12. Chọn cổng COM và connect ................................................................70

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

viii


MỞ ðẦU
1. ðặt vấn ñề
Vấn ñề ño khoảng cách trong thực tế hiện nay có rất nhiều phương pháp đo và
cách ño khác nhau. Việc thiết kế hệ thống ño khoảng cách một cách tự ñộng là một
trong những phương pháp ño ñược ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến hiện nay,
nhưng vẫn phải ñảm bảo ñược các yêu cầu như độ chính xác, linh hoạt, đảm bảo
được u cầu về ứng dụng trong lĩnh vực cần đo. Ngồi ra cịn phải phù hợp với bài
tồn kinh tế đối với thiết bị khi lựa chọn và thiết kế. Chính vì thế ở đây tơi đề xuất
việc thiết kế chế tạo một hệ thống ño khoảng cách sử dụng “Cảm biến hồng ngoại”
tích hợp trên một cơ cấu chuyển động có thể điều khiển được, với mục đích đo
khoảng cách và tăng khoảng cách ño ñể giảm giá thành của thiết bị đo.
Tơi rất trân trọng cảm ơn PGS-TSKH Trần Hồi Linh đã trực tiếp, nhiệt tình
chỉ bảo hướng dẫn để tơi thực hiện đề tài này một cách có hiệu quả trong q trình
thiết kế và triển khai đề tài.
2. Nội dung nghiên cứu
Thực tế trên thị trường nước ta hiện nay có rất nhiều hệ thống đo khoảng cách
như phát hiện chướng ngại vật, ño mức chất lỏng v.v… ñặ biệt là các thiết bị ño nhỏ
và gọn có thể di chuyển lắp đặt ở các vị trí ñịa ñiểm cần ño và kiểm tra trong quá
trình thực hiện.
Mặc dù vậy cũng có một số giải pháp và các cơng nghệ đo đưa ra để áp dụng
vào thiết bị đo trong thời điểm hiện nay cịn một số hạn chế nhất ñịnh như:
– Khoảng cách ño hạn chế
– Giá thành sản phẩm khá cao khi mở rộng khoảng cách ño

Thực tế ñặt ra nhiệm vụ thiết kế, chế tạo hệ thống ño khoảng cách sử dụng
cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển động có thể ñiều khiển ñược ñể
nhằm ñáp ứng ñược những vấn ñề trên và nhu cầu thực tế hiện nay.
Các nhiệm vụ ñặt ra trong luận văn

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

1


2.1. Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách sử
dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển động gồm:
• Mạch điện phần cứng
• Thiết kế cơ cấu chuyển động bằng cơ khí
• Hệ thống đo có kích thước nhỏ gọn (có kích thước khơng lớn hơn
400 x 300 x 150 mm ,có thể cầm tay)
• Tích hợp với cơ cấu chuyển động (có chiều dài khơng lớn hơn
750cm)
• Lưu giữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của
thiết bị đo và với máy tính
• Có các phím chức năng để thiết lập và đặt lại chế độ đo
• Tính linh hoạt cao (có thể thay đổi cấu hình phần cứng bằng cách
thay đổi các cảm biến có các khoảng cách cảm nhận khác nhau
hoặc cảm biến siêu âm)
• Thiết bị và hệ thống đo sử dụng nguồn 5V
• Lưu giữ số liệu, truyền và trao đổi số liệu với bộ nhớ trong của
thiết bị và với máy tính
2.2. Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau:
• Tự động kết nối thiết bị đo với máy tính
• ðồng bộ dữ liệu đo lên máy tính và lưu vào cơ sở dữ liệu

• Có thể tìm kiếm được các thơng tin trong cơ sở dữ liệu
• Giao diện phần mềm lập trình đơn giản, trực quan với người sử
dụng và quan sát
2.3. Tìm hiểu về các cảm biến đo khoảng cách bằng siêu âm
• FRS02: Cảm biến đo cự li từ xa bằng sóng siêu âm
• FRS04: Cảm biến siêu âm đo khoảng cách
• FRS05: Cảm biến siêu âm
• FRS10: Cảm biến siêu âm kích thước bé
• FRS235: Cảm biến “đầu bút chì”

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

2


2.4. Tìm hiểu về một số cảm biến đo khoảng cách bằng hồng ngoại
• GP2D02:
Tín hiệu ra đọc trực tiếp từ thiết bị đo
Tầm đo từ 10cm ÷ 80cm
Cách đo ñọc và ñược kích hoạt bởi một ñồng hồ bên ngoi
Dũng ON ~25mA, dũng OFF~2àA
ã GP2D05:
Tớn hiu ra 0 hoc 1 dựa trên ngưỡng khoảng cách từ xa
Tầm ño 10cm ÷ 80cm điều chỉnh ngưỡng tích hợp với điện thế nhỏ
Cách đo đọc và được kích hoạt bởi một đồng h bờn ngoi
Dũng ON ~25mA, dũng OFF ~2àA
ã GP2D12:
Tớn hiu ra dạng Analog (0V÷~3V) dựa trên khoảng cách đo
Tầm đo 10cm ÷ 80cm
Cách đo đọc liên tục giá trị đo với thời gian là ~38ms mỗi lần đọc

Dịng ON ~25mA
• GP2D15:
Tín hiệu ra dưới dạng số Digital (0 hoặc 1)
Tầm ño khi chế tạo cảm biến này giá trị cài ñặt khoảng cách là
24cm
Cách ño ñọc liên tục giá trị ño với thời gian là ~38ms mỗi lần ñọc
Dòng ON ~25mA
Khoảng cách cảm nhận của các thiết bị ño phụ thuộc vào các cảm biến, mỗi
một cảm biến có một khoảng cách cảm nhận khác nhau. Thông thường các cảm
biến hồng ngoại có một bộ phát và một bộ thu bằng hồng ngoại.
Khi bộ phát phát ánh sáng hồng ngoại gặp chướng ngại vật phản xạ ngược trở
lại bộ thu cảm nhận ñược, và khoảng cách từ cảm biến tới vật được tính bằng 1 2
qng đường ánh sáng hồng ngoại ñi từ bộ phát ñến bộ thu.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

3


– Nghiên cứu và ñề xuất giải pháp ghép ñầu ño trên cơ cấu chuyển ñộng ñiều
khiển ñược ñể mở rộng khoảng cách đo:
– Cảm biến hồng ngoại được tích hợp, nối cứng trên một thanh chuyển ñộng
ñược gắn một thanh răng.
– ðối tượng ñiều khiển là ñộng cơ bước, trên trục động cơ có gắn bánh răng ăn
khớp với thanh răng trên cơ cấu chuyển ñộng.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết để tìm ra các giải pháp từ ý tưởng ban ñầu
- Sử dụng các thiết bị trong quá trình thiết kế nghiên cứu thực tế từng thiết bị cụ
thể để thống nhất trong q trình kết nối
- Xây dựng thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại, khảo

sát các kết quả thực tế của thiết bị và ñiều chỉnh.
4. Phạm vi ứng dụng
- Trong công nghiệp
- Trong nông nghiệp
- Các lĩnh vực trong đời sống
- Sử dụng mơ hình vào lĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống ño mức nước tự
ñộng
5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn
Chương I (Giới thiệu về bài tốn đo khoảng cách và một số cảm biến ño khoảng
cách) nêu lên sơ ñồ ý tưởng của bài toán ño khoảng cách trong luận văn và các loại
cảm biến ño khoảng cách thường sử dụng trong thực tế hiện nay, chủ yếu tìm hiểu về
cấu tạo cơ bản, nguyên lý và thông số của cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại.
ðồng thời tìm hiểu về giá thành một số cảm biến trên thị trường hiện nay.
Dựa vào sơ ñồ ý tưởng của bài tốn đo khoảng cách, thơng số của các cảm
biến cũng như giá thành các cảm biến ñể lựa chọn một cảm biến thích hợp để thiết
kế một hệ thống ño khoảng cách theo yêu cầu của luận văn ñảm bảo tăng ñược
khoảng cách ño và bài toán kinh tế. Trong chương II gồm các nội dung sau:
– Bài tốn đo khoảng cách
– ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

4


– ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của đề tài
Chương II (Phân tích giải pháp thiết bị đo khoảng cách bằng cảm biến có đầu
đo dịch chuyển được) giới thiệu lý do để từ đó lựa chọn một giải pháp thích hợp
trong việc thiết kế, chủ yếu là bài toán kinh tế trong việc tăng khoảng cách ño
nhưng vẫn ñảm bảo giá thành của sản phẩm thiết bị khi thiết kế. Trong quá trình

thiết kế dựa trên hai nguyên lý cơ bản là nguyên lý phần cơ khí và ngun lý phần
điện, đây là hai nguyên lý ñể phối hợp cảm biến với hệ thống dịch chuyển ñể tăng
khoảng cách ño. Trong chương II gồm các nội dung sau:
– Lý do lựa chọn giải pháp
– Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch chuyển
Chương III (Thiết kế thiết bị ño khoảng cách với ñầu ño dịch chuyển ñược)
ñưa ra sơ ñồ khối chức năng tổng thể của thiết bị dựa vào sơ đồ khối phân tích lựa
chọn và thiết kế từng khối trong sơ ñồ. Sau khi ñã thiết kế các khối và ñi ñến thiết
kế tổng thể mạch thiết bị dựa trên các khối ñã thiết kế theo sơ ñồ các khối chức
năng. Phần cứng các khối ñã thiết kế và lựa chọn song tiếp tục phân tích để lựa
chọn phần mềm lập trình trên Vi xử lý và phần mềm trên PC. Trong chương IV
gồm các nội dung sau:
– Sơ ñồ khối và chức năng các khối
– Lựa chọn và thiết kế Vi xử lý
– Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến khoảng cách
– Lựa chọn và thiết kế khối dịch chuyển bằng ñộng cơ bước
– Lựa chọn và thiết kế khối hiển thị bằng màn hình LCD
– Lựa chọn và thiết kế khối phím bấm
– Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông
– Lựa chọn và thiết kế khối bộ nhớ
– Thiết kế tổng thể mạch thiết bị
– Phân tích và thiết kế phần mềm Vi xử lý
– Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC
Chương IV (Các kết quả triển khai) ñưa ra các hình ảnh của thiết bị trong quá
trình thiết kế như mạch in của thiết bị và phần cơ khí sau khi đã tích hợp cảm biến

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

5

trên cơ cấu thanh ray dịch chuyển bởi ñộng cơ bước. Chương trình điều khiển viết
bằng ngơn ngữ lập trình C cho vi điều khiển gồm chương trình chính, chương trình
điều khiển động cơ bước, chương trình điều khiển màn hình LCD hiển thị kết quả
đo. ðo và đưa ra một số kết quả gồm các thông số khoảng cách ñã thực hiện. Trong
chương V gồm các nội dung sau:
– Mạch phần cứng
– Phần mềm Vi xử lý
– Phần mềm tích hợp trên PC
– Các kết quả thử nghiệm
* Kết luận và đề nghị:

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

6


Chương I: GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ðO KHOẢNG CÁCH VÀ
MỘT SỐ CÁC CẢM BIẾN ðO KHOẢNG CÁCH
1.1. Bài toán ño khoảng cách
Các cảm biến ño khoảng cách nói chung ñều có khả năng thiết kế ño khoảng
cách kết hợp với các bộ điều khiển lập trình như PLC,Vi xử lý… nhưng cũng tuỳ
thuộc vào từng ñối tượng ño, ñiều kiện đo và bài tốn kinh tế ta có thể lựa chọn cảm
biến tương ứng mà vẫn ñảm bảo ñược u cầu về bài tốn đo khoản cách.
Nếu đo với khoảng cách nhỏ, đơn giản, ta có thể lựa chọn ño khoảng cách
bằng cảm biến ñiện trở, cảm biến ñiện cảm hoặc cảm biến ñiện dung.
ðể ño khoảng cách lớn hơn, sử dụng cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm
biến hồng ngoại. Với các cảm biến có khả năng ño khoảng cách càng xa thì giá
thành càng lớn. Muốn thực hiện việc ño khoảng cách lớn nhưng vẫn ñảm bảo được
bài tốn kinh tế là dùng các cảm biến có khoảng cách cảm nhận nhỏ, ta đưa ra bài

tốn và một giải pháp tích hợp đầu đo của cảm biến trên một cơ cấu dịch chuyển có
thể điều khiển ñược ñể tăng khoảng cách cảm nhận.
Sơ ñồ bài toán đo khoảng cách

Hình 1.1: Sơ đồ bài tốn đo khoảng cách
trong đó:
d1 - khoảng cách cảm nhận của cảm biến,
d2 - khoảng cách xác định gián tiếp từ vị trí ñộng cơ bước (khoảng cách từ vị trí của
ñộng cơ bước tới cảm biến, cũng là vị trí từ thiết bị đo tới vị trí của cảm biến)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

7


Khoảng cách mà cảm biến xác ñịnh và trả về kết quả là khoảng cách d1. khi đó
khoảng cách từ thiết bị ño tới ñối tượng ño là d1+d2. Cảm biến cảm nhận các giá trị
thay ñổi và trả về thiết bị ño, thiết bị ño ñọc các giá trị này và ñiều khiển ñộng cơ
bước, thiết bị ño và ñiều khiển sử dụng Vi ñiều khiển PIC
Khi thiết kế các hệ thống đo khoảng cách có nhiều giải pháp ño kết hợp với
các thiết bị ño như sử dụng các cảm biến sau:
– Cảm biến điện cảm
• Cảm biến ñiện cảm dùng con chạy cơ học
• Cảm biến ñiện cảm khơng dùng con chạy cơ học
– Cảm biến điện dung
• Cảm biến tụ đơn
• Cảm biến tụ kép vi sai
• Cảm biến mạch đo
– Cảm biến quang
• Cảm biến quang phản xạ

• Cảm biến quang rọi thấu
– Cảm biến ño dịch chuyển bằng sóng ñàn hồi
– Cảm biến Hall
– Cảm biến ñiện trở
– Cảm biến siêu âm (FRS02, FRS04, FRS05, FRS08, FRS10, FRS235…)
– Cảm biến hồng ngoại (GP2D02, GP2D05, GP2D12, GP2D15…)
Với các cảm biến đo khoảng cách nói trên thì hiện nay chủ yếu sử dụng các
cảm biến đo khoảng cách có một bộ phát và một bộ thu tích hợp trên cùng một bộ
và gắn trên cơ cấu chuyển ñộng, như cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại.
Sau đây luận văn sẽ trình bầy một số vấn ñề tổng quan về hai dạng cảm biến
tầm gần thông dụng nhất là cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại.
1.2. ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm
Siêu âm là một sóng được ứng dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách và
định vị vật thể. Có nhiều phương pháp đo, cũng có thể đánh giá được khả năng
không gian bị chiếm bởi vật thể cần xác định (phương pháp sử dụng cơng thức xác
suất tồn phần theo mơ hình Bayes) và tỉ lệ chiếm giữa các ơ lưới trên bản đồ nhằm
xác định vị trí xác suất cao nhất có vật thể.
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

8


ðo khoảng cách ñều ñược xác ñịnh từ việc phát sóng siêu âm truyền đi, gặp vật
và có sóng siêu âm phản xạ trở lại bộ phận thu sóng để xác định khoảng cách từ
cảm biến tới vị trí vật cần xác định.
1.2.1. Sơ đồ ngun lý chung

Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm
1- Bộ biến âm

2- ðế nhựa tổng hợp

3- Phần giảm âm

4- Cáp ñiện

5- Vỏ kim loại

6- Vỏ bọc

1.2.2. Ngun lý đo
Sóng siêu âm được truyền đi trong khơng khí với vận tốc 343m/s. Nếu một cảm phát
hiện ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, đồng thời đo được khoảng thời gian từ
lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được qng đường mà sóng truyền
đi trong khơng gian. Qng đường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khoảng cách từ cảm
biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của cảm biến siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm
biến tới chướng ngại vật được tính theo ngun lý TOF:
d=

v ⋅t
2

Hình 1.3: Ngun tắc TOF của cảm biến siêu âm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

9


1.2.3. Tầm quét của cảm biến siêu âm

Tầm quét của cảm biến siêu âm có thể được mơ hình hố bởi một hình quạt

Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm
Khi sóng siêu âm phát ra và thu về cảm biến siêu âm một cách gián tiếp, cho
ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến. Khi ño dường như
trên quãng ñường ñi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm khơng gặp bất
cứ cản vật nào và đâu đó xung quanh vị trí mà cảm biến cảm nhận được có một
chướng ngại vật. Và vì thế cảm biến siêu âm có thể được mơ hình hố thành một
hình quạt, trong đó các điểm ở giữa gần như khơng có chướng ngại vật, cịn các
điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật ở nằm ở đâu đó.
Như vậy khi phát và thu sóng siêu âm ta ghi nhận được một véc tơ ñịnh vị, với
hướng là hướng của cảm biến và ñộ lớn là khoảng cách từ cảm biến ñến chướng
ngại vật. Và khi đo nếu ta nói cảm biến ghi nhận một véc tơ (giả sử 100cm) theo
hướng theta, có nghĩa là trong khoảng từ cảm biến tới chướng ngại vật theo hướng
theta dường như khơng có vật cản nào và chướng ngại vật nằm ở đâu đó cách cảm
biến theo hướng phát của cảm biến (theta) một khoảng là (100cm)
Hình 2.4 chỉ ra rằng nếu có vật nằm trong tầm quét của cảm biến siêu âm, thì
vùng quét của siêu âm có thể được phân ra làm ba vùng. Vùng 1 là vùng phía ngồi
hình quạt là vùng dường như có vật cản nào đó. Vùng 2 là vùng gần tâm quạt,
dường như khơng có vật cản nào. Vùng 3 là vùng còn lại sau vật cản cho đến vị trí

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

10


xa nhất trong tầm quét của cảm biến siêu âm, đây là vùng chưa biết, vì siêu âm
khơng thể nhìn xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này.
1.2.4. Thông số của một số loại cảm biến siêu âm
Bảng 1.1. Thông số của một số cảm biến siêu õm

Cm
bin

Khong ủo
Thụng tin

SRF02

I2C/

Gúc

S ln

Ghi
Thi gian

chỳ

Mt

70ms

A

450

Mt

100àsữ36ms

4m

450

Mt

100àsữ36ms

Ti ủa

Ti thiu

*

15cm

6m

450

3cm

3m

3cm

vang
**

Serial
SRF04

K thut
s

SRF05

K thut
s

SRF08

I2C

3cm

6m

450

17

65ms

BC

FRS10

I2C

3cm

6m

600

Mt

65ms

AB

FRS235

I2C

10cm

1,2m

150

Mt

10ms

AD

* c tính góc hình nón cảm biến ở 1 2 cảm biến

** Số lần vang ghi lại bởi cảm biến. ðây là những tiếng vọng ghi ñọc gần nhất
và ñược ghi ñè mới bằng mỗi lần khác nhau
A: Những cảm biến nhỏ hơn (điển hình FRS05, FRS04, FRS08)
B: Phạm vi thời gian có thể điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh ñược
C: Cảm biến này bao gồm một Photocell ở mặt trước ñể phát hiện ánh sáng
D: Hoạt ñộng ở một tần số 235kHz cao hơn
1.3. ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài
Hiện nay trên thế giới nhiều loại cảm biến ño khoảng cách bằng tia hồng ngoại
ñã và ñang ñược sử dụng. Các cảm biến này được đóng gói nhỏ gọn, tiêu thụ dịng
rất ít và nhiều sự lựa chọn cho tín hiệu Output.
1.3.1. Vật liệu và tia hồng ngoại
– Tia hồng ngoại tồn tại ở dạng nhiệt ở tất cả mọi nơi, bên trong và bên ngồi
vật liệu
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

11


– Tia hồng ngoại phát ra từ các vật và con người, trong đó lồi vật và con người
phát ra tia hồng ngoại mạnh nhất có độ dài bước sóng là 4 µ m
– ðể nhận diện tia hồng ngoại người ta dùng các cảm biến Pyroelectric (hoả
ñiện). Cảm biến là các vật liệu tinh thể, sẽ tạo ra ñiện áp khi có sự thay đổi
nhiệt độ ở dạng các tia hồng ngoại.
1.3.2. Cơ sở vật lý
– Sóng ánh sáng hay sóng hồng ngoại đều là sóng điện từ, truyền đi trong khơng
khí với vận tốc ánh sáng
– Bước sóng của hồng ngoại: λIR ≥ 0, 7 µ m
– Bước sóng của ánh sáng khả kiến: 0, 4µ m ≤ λVL ≤ 0, 7 µ m
1.3.3. Một số loại cảm biến hồng ngoại
ðể ño khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại cũng có thể sử dụng một số các

cảm biến như GP2D02, GP2D05, GP2D12, GP2D15. Với mỗi cảm biến có một ñặc
ñiểm riêng cũng như khoảng cách cảm nhận và tín hiệu đầu ra, ta thấy để điều khiển
việc đo khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật và ñọc khoảng cách ño.
Các chướng ngại vật không phải chỉ đứng n mà cịn có thể chuyển động
trong hoặc ngồi phạm vi cảm nhận của cảm biến. Khi chuyển ñộng trong phạm vi
cảm nhận của cảm biến thì cảm biến sẽ thu tín hiệu và truyền tới thiết bị xử lý và
cho kết quả. Vậy tín hiệu này là tín hiệu tương tự (analog).
Vậy ban đầu từ tín hiệu khơng ñiện là khoảng cách, cảm biến cảm nhận sự
thay ñổi và biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng và truyền về thiết bị ño và xử lý.
Với mục tiêu ñặt ra trong ñề tài này và xét tới các ñặc ñiểm của một số cảm
biến ño khoảng cách như trên ta lựa chọn cảm biến hồng ngoại GP2D12 có tín hiệu
ra analog hợp lý. Khoảng cách cảm nhận 10cm÷80cm vừa phải để lắp đặt mơ hình
phần cứng, khơng q lớn để ảnh hưởng tới bài tốn kinh tế.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

12


1.3.4. Cảm biến hồng ngoại GP2D12
– Hình ảnh:

Hình 1.5: Hình ảnh của GP2D12
– Sơ đồ khối nội bộ:

Hình 1.6: Sơ đồ khối nội bộ của GP2D12
trong đó các khối chính là: Signal processing circuit (Mạch xử lý tín hiệu), LED
drive circuit (Mạch LED), Voltage regulator (Khối ñiều chỉnh ñiện áp), Oscillation
circuit (Khối dao ñộng), Output circuit (Khối ñầu ra).
– Giản ñồ trạng thái:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

13


Hình 1.7: Giản đồ trạng thái của GP2D12
trong đó: Power supply - Nguồn cung cấp,
Distance measuring operation - Khoảng cách ño hoạt ñộng
First measurement - Phép ño ñầu tiên
Second measurement - Phép ño thứ hai
n-th measurement - Các phép ño tiếp theo
Unstable output - ðầu ra thay ñổi
First output - ðầu ra ñầu tiên
Second output - ðầu ra thứ hai
n-th output - ðầu ra thứ n
– Nguyên lý hoạt ñộng:
Trong cảm biến GP2Dxx (của hãng Sharp), một phương pháp mới ñược sử
dụng ñể phát hiện vật thể ở khoảng cách xa hơn và khơng giảm mức độ ảnh hưởng
từ ánh sáng xung quanh.
Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp trắc ñịa tam giác (triangulation)
và một mảng CCD dài mỏng để tính tốn khoảng cách và sự hiện diện của vật thể
trong vùng quan sát.
Ý tưởng cơ bản là: một xung của ñèn IR ñược phát ra bởi ñèn phát emitter. Tia
sáng này sẽ ñi trong trường quan sát hoặc là đụng vật thể, hoặc là khơng đụng vật

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

14

thể. Trong trường hợp không gặp vật thể, tia sáng sẽ khơng bao giờ phản hồi về và
đọc là khơng có vật thể. Nếu tia sáng phản xạ lại, có vật thể, cảm biến sẽ thu và tạo
ra một phép trắc ñạc tam giác giữa 3 ñiểm, ñiểm phản xạ, điểm phát và điểm thu.

Hình 1.8: Khác góc và khác khoảng cách
trong đó: Object – ðối tượng, Angle – Góc nhìn, Point of Reflection – ðiểm phản xạ.
– Tín hiệu ra:
Tín hiệu ra output khơng tuyến tính, vì một vài phép lượng giác của tam giác
trắc địa.

Hình 1.9: Tín hiệu ra

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

15


Hình 1.10: ðường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức ñiện áp ra của GP2D12
Trong ñường cong quan hệ trên, đầu tiên, tín hiệu output khoảng cách nằm
giữa từ vùng 10cm tới 80cm thì khơng tuyến tính. Thứ hai, trên đường cong có thể
chia làm hai vùng, một vùng nhỏ hơn 10cm và vùng từ 10cm tới 80cm. Hai vùng
này được đặc tuyến khác nhau, nó có thể gây ảnh hưởng tới thiết bị ño nếu di
chuyển chậm hoặc tiến lại gần vật thể (ñối tượng). ðể tránh ñiều này thì cảm biến
có thể được bố trí như sau:

Hình 1.11: Một cách bố trí cảm biến
Góc chùm của tia hơi nhỏ, vì khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu là 10cm, nếu
muốn tăng góc mở, có thể sử dụng kết hợp hai cảm biến hồng ngoại như sau:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

16