Thiết kế hệ thống xe 4 bánh có thể nhận biết vật cản ở phía sau thì còi hú, đèn sáng dùng cảm biến siêu âm

CHÀO MỪNG CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÊN VƠI BÀI THUYẾT TRÌNH
CỦA NHĨM 5


BÀI THUYẾT TRÌNH
MƠN ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN
Thiết kế hệ thống xe 4 bánh có thể nhận biết vật cản ở phía sau thì cịi hú,
đèn sáng dùng cảm biến siêu âm
Giảng Viên Hướng Dẫn: Th.s Lê Thị Thanh Nga
Sinh Viên Thực Hiện: Cao Ngọc Nam
Trần Bá Thuận
Lớp: EE20C5.1



NỘI DUNG ĐỀ TÀI

NỘI DUNG ĐỀ TÀI







Sóng Siêu Âm,
Cảm biến siêu âm
Cấu tạo ,Nguyên lý
Ư điểm,nhược điểm
Công dụng và Ứng Dụng
Giới thiệu Một số loại cảm

biến
 Vào đề tài

-


Sóng siêu âm là gì?
Sóng siêu âm được định nghĩa là một
loại sóng có tần số cao mà con người
khơng thể nghe thấy được
Trong tự nhiên, sóng siêu âm được tìm thấy ở các lồi
động vật như dơi, cá heo … Chúng dùng sóng siêu âm để
định hướng đi, liên lạc với đồng loại, hay để săn mồi…
Khi điều tra và nghiên cứu về những loài động vật hoang
dã này, những nhà khoa học tìm hiểu và khám phá được
nguyên tắc mà chúng sử dụng sóng âm để xu thế khá đơn
thuần và mê hoặc.

Cơ bản gồm :
• Đối tượng phát ra sóng âm
• Sóng âm va chạm với vật cản và
phản xạ lại
• Khoảng cách được xác định dựa
trên thời gian phát / thu.


Tuy nhiên, quy trình xác lập khoảng cách nhờ vào rất nhiều vào môi
trường tự nhiên truyền dẫn .
Cụ thể, sóng âm truyền trong mỗi mơi trường tự nhiên khác nhau sẽ
có thời hạn phản hồi khác nhau. Ví dụ : Sóng âm truyền trong thiên

nhiên và mơi trường chất lỏng hay rắn sẽ nhanh hơn rất nhiều so với
sóng âm được truyền trong thiên nhiên và môi trường không khí.
Điểm hạn chế lớn là sóng âm khơng hề truyền được trong môi trường
tự nhiên chân không .
Dựa nguyên tắc này, và cùng với sự tân tiến của khoa học công nghệ
tiên tiến tân tiến, những nhà khoa học đã cung ứng ra thị trường rất
nhiều những ứng dụng như : thiết bị khuynh hướng cho tàu ngầm,
những mạng lưới hệ thống đo khoảng cách trong công nghiệp, trong
môi trường tự nhiên như : đo độ sâu của hồ nước, đo khoảng cách
những vật thể trên dây chuyền sản xuất, đo mức chất lỏng … từ
những loại cảm ứng siêu âm …


Sóng siêu âm có an tồn khơng?
Như định nghĩa ở mục trên, sóng siêu âm đơn thuần chỉ là
sóng âm thanh có tần số cao, ngồi năng lực cảm nhận âm
thanh của tai con người. Chính vì vậy, sóng siêu âm không
gây hại cho sức khoẻ của con người cũng như mơi trường tự
nhiên sống .

Dải tần số của sóng siêu âm

Vì là sóng bảo đảm an tồn, sóng siêu âm còn được ứng dụng trong
những ngành như : chuẩn đốn hình ảnh siêu âm trong y khoa, kiểm tra
khơng phá huỷ những cấu trúc cơ khí, ứng dụng trong ngành quan trắc
thiên nhiên và mơi trường, hố học, sinh học, … qua những loại cảm
ứng siêu âm .


Đầu tiên ta cần biết, siêu âm là một loại âm thanh mà vượt qua khỏi giới hạn nghe

của tai người. Thơng thường tai người có thể nghe được tần số trong giới hạn
20.000 Hz trở xuống. Còn siêu âm thì thường có tần số từ 20.000Hz trở lên. Ngồi
siêu âm thì ta cịn có Hạ âm là loại âm thanh có tần số rất thấp, chỉ vào khoảng dưới
20 Hz.
Vậy thì Cảm biến siêu âm là gì?
Nói một cách đơn giản, cảm biến siêu âm là một thiết bị cảm biến hoạt động dựa
trên sóng siêu âm Ta có thể hiểu Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn
tần số âm thanh nghe thấy (trên 20kHz. Cũng giống như các loại cảm biến áp suất
hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm được dùng chủ yếu là để đo khoảng
cách hoặc vận tốc. Ngồi ra thì còn được sử dụng trong các ứng dụng như làm
sạch bằng sóng siêu âm hoặc dùng trong siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đốn
hình ảnh).


Cấu tạo của cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm sử dụng
ngun lí phản xạ sóng siêu âm
Cảm biến siêu âm bao gồm bộ
phận có thể phát ra sóng siêu
âm bởi một đầu dị cơng suất
nhỏ có khả năng phát ra tín
hiệu.
Đầu dị siêu âm có nhiều dạng
khác nhau được chia thành đầu
dị thẳng ( sóng dọc ) và đầu dị
ngang ( sóng ngang ), đầu dị
sóng bề mặt, đầu dị kép ( 1 cái
phát tín hiệu – 1 cái nhận tín
hiệu …

 Tuỳ vào mục đích sử dụng người ta chọn đầu dò cảm biến siêu ậm phù hợp
nhất.
Tất cả đều có chung cấu tạo cảm biến siêu âm như sau:
– Máy phát: Rung bằng máy rung (thường được làm từ chất liệu gốm có đường
kính khoảng 15 mm) để tạo sóng siêu âm và lan truyền vào khơng khí.
– Máy thu: Khi máy rung nhận sóng siêu âm, nó tạo ra rung động cơ học tương
ứng theo sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của máy
thu.
– Điều khiển: Điều khiển truyền siêu âm của máy phát bằng cách sử dụng mạch
tích hợp và đánh giá xem máy thu có nhận được tín hiệu (sóng siêu âm) và kích
thước của tín hiệu thu được hay không.
– Nguồn điện: Cảm biến siêu âm thường được cung cấp bởi nguồn điện DC bên
ngoài với điện áp là PCB ± 10% hoặc 24 V ± 10% và được cung cấp cho cảm
biến thông qua mạch ổn áp bên trong.


Để lý giải về nguyên tắc hoạt động giải trí của cảm
ứng siêu âm, Em sẽ lấy ví dụ ở những loại động vật
hoang dã như dơi hoặc cá heo .
Dơi là lồi vật có năng lực phát và cảm nhận được
sóng siêu âm. Bởi vì dơi là lồi động vật hoạt động
về đêm nên thị giác của nó khơng tăng trưởng. Để
tránh bị va chạm khi bay vào đêm hơm, dơi sẽ phát
ra những loại sóng siêu âm khi bay để xác định
hướng. Khi sóng siêu âm gặp vật cản sẽ phản xạ lại,
dơi nhận những sóng phản xạ này lại để biết là phía
trước có vật cản và đổi hướng .

Nguyên lí làm việc
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa
trên nguyên tắc cho và nhận tức là bản
thân cảm biến sẽ phát ra sóng liên tục
với tốc độ của sóng siêu âm. Khi bước
sóng này gặp vật cản sẽ phản hồi lại
bước sóng này, cảm biến siêu âm sẽ
nhận lại bước sóng phản hồi này đồng
thời phân tích thời gian phát sáng và
nhận sóng để biết được khoảng cách
từ vật cản tới cảm biến. Chính vì điều
này mà chúng ta biết được khoảng cách
từ cảm biến cho tới mức chất lỏng hoặc
chất rắn một cách chính xác.


Và loại cảm ứng siêu âm cũng hoạt động
giải trí dựa trên nguyên tắc tương tự như
như vậy .
Đầu tiên, đầu cảm ứng sẽ phát ra 1 chùm
sóng siêu âm lên mặt phẳng cần đo
khoảng cách.
Khi sóng siêu âm gặp mặt phẳng vật cản
sẽ phản xạ ngược lại.
Khi đó cảm ứng sẽ thu lại những chùm
sóng siêu âm này .
Dựa vào thời hạn phản xạ và tốc độ của
sóng, cảm ứng sẽ tính ra được khoảng
cách từ cảm ứng lên mặt phẳng vật thể.

Ưu điểm 

Ưu và nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm:
Bất kỳ một loại thiết bị cảm ứng công nghiệp nào
cũng đều có ưu điểm và điểm yếu kém khác nhau.
Và cảm ứng siêu âm cũng vậy.

Sử dụng sóng siêu âm nên hồn tồn có thể đo khoảng cách mà khơng cần tiếp xúc với vật
chất cần đo. Vì thế, cảm ứng siêu âm thường được dùng để đo mức chất lỏng có độ ăn mịn
cao như acid hoặc xăng, dầu, …
Sóng siêu âm là một loại âm thanh có tần số cao nên độ nhạy của cảm ứng rất cao, thời hạn
phân phối nhanh .
Độ đúng chuẩn của cảm ứng siêu âm gần như là tuyệt đối, sai số trung bình khoảng chừng
0,15 % so với khoảng cách 2 m trở lại .
Nhược điểm
Cảm biến siêu âm chịu tác động ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và áp suất. Vì thế nó chỉ
hoạt động giải trí tốt nhất ở mơi trường tự nhiên có nhiệt độ từ 60 độ C trở xuống và áp
suất khoảng chừng 1 bar trở lại .
Các loại cảm ứng siêu âm đo mức chất lỏng có ngân sách góp vốn đầu tư bắt đầu là khá
cao so với những loại cảm ứng đo mức chất lỏng khác .
Một điểm yếu kém khác là cảm ứng siêu âm rất dễ bị nhiễu tín hiệu nên khi lắp ráp, bạn
cần phải lắp theo đúng hướng dẫn của nhà phân phối .


Ứng dụng cảm biến siêu âm:
Sau đây tất Em xin giới thiệu thêm về một
vài ứng dụng của cảm ứng siêu âm
Cảm biến siêu âm công nghiệp:
Trong công nghiệp, cảm ứng siêu âm được

ứng dụng trong những ứng dụng phát hiện
dị tật của mẫu sản phẩm ; phát hiện mẫu
sản phẩm bị ngã đổ trên băng chuyền, phát
hiện loại sản phẩm bị nứt hoặc bể, … .
Ngoài ra, người ta còn dùng cảm ứng
siêu âm để đo mức nguyên vật liệu
trong bể hoặc xác lập kích cỡ của loại
sản phẩm sau sản xuất .


Cảm biến siêu âm đo khoảng cách:
Khi sử dụng cảm ứng siêu âm ; cảm
ứng sẽ phát ra 1 chùm tia sóng hình
nón xuống vị trí cần đo khoảng cách.
Thơng thường người ta dùng cảm ứng
siêu âm để đo khoảng cách từ cảm ứng
xuống mặt phẳng loại sản phẩm trên
băng chuyền .
Nếu khoảng cách từ cảm ứng xuống mặt
phẳng loại sản phẩm bất thần tăng cao thì
năng lực là mẫu sản phẩm đó đang bị
móp, méo hoặc đang bị nứt. Từ đó cảm
ứng sẽ báo động và loại mẫu sản phẩm đó
ra khỏi băng chuyền


Cảm biến siêu âm đo mức nước:
Ngoài ứng dụng để đo mức nước, người ta còn
dùng cảm ứng siêu âm đo mức chất lỏng nói
chung. Tức là gồm có cả dầu ăn, dầu diesel,

socola, nước trái cây, đường, muối, acid ăn
mịn, … .
Lý do là vì dịng cảm ứng siêu âm đo mức
chất lỏng này hồn tồn có thể đo mức mà
không cần tiếp xúc với thiên nhiên và môi
trường đo nên không bị tác động ảnh hưởng
bởi độ ăn mòn và cũng đươc dùng trong
những ứng dụng đo mức thực phẩm .


Cảm biến vân tay siêu âm:
Bạn có nghe,hiện nay một số dịng điện
thồi thơng minh có tương hỗ cảm ứng
vân tay siêu âm. Bạn có biết là cảm ứng
này hoạt động giải trí cũng dựa trên
ngun tắc sóng siêu âm .
Cảm biến này hoạt động dựa trên công nghệ được
gọi là “3D Sonic Sensor”. Nó hoạt động bằng cách
thu lại sóng âm bị phản hồi lại từ làn da của bạn. Nó
sẽ ghi lại thơng tin chi tiết của ngón tay xuyên qua
nước, kem dưỡng da và dầu mỡ, vào ban đêm hoặc
dưới ánh sáng ban ngày. Khi bạn đặt tay lên bàn
hình điện thoại cảm ứng, sóng siêu âm sẽ phát ra từ
màn hình hiển thị đến những vân tay của bạn.


Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản cũng là
đề tài của nhóm em nghiên cứu
Như ví dụ phía trên, trên những
dòng xe hơi lúc bấy giờ, ở phần đầu

xe và đuôi xe đều được trang bị
cảm ứng siêu âm đo khoảng cách .
Khi phát hiện phần đầu xe hoặc
đuôi xe gần va chạm thì cảm
ứng sẽ xuất tín hiệu báo động về
để báo cho tài xế biết là sắp có
va chạm .
Và cịn nhiều các ứng những úng dụng khác
trong quân sự,trong đánh bắt thủy hải sải,trong
y học và trong đời sống thường ngày.


Các loại cảm biến siêu âm:
Trên thực tế thị trường có rất nhiều những loại cảm ứng
siêu âm khác nhau. Mỗi loại lại có cấu trúc và hiệu quả
khác nhau. Sau đây em xin giới thiệu về 1 số ít loại cơ
bản .
Cảm biến siêu âm chống nước :
Các loại cảm ứng siêu âm thường thì được lắp ở những vị trí trên cao như phía trên băng chuyền ; hoặc
lắp trong board mạch. Vì thế nó khơng n cầu phải có tiêu chuẩn chống nước .
Nhưng so với những loại cảm ứng siêu âm đo mức chất lỏng ; thường thì phải có chuẩn chống nước ở
mức IP67 hoặc cao hơn .
Lý do là vì những loại cảm ứng này thường được lắp ráp ngoài trời ; nên cần phải có chuẩn chống nước
để bảo vệ trước thời tiết nắng, mưa .
Cảm biến siêu âm arduino:
Thực ra thì arduino không phải là tên của 1 loại cảm ứng siêu
âm. Mà arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để
kiến thiết xây dựng những ứng dụng điện tử tương tác với nhau
hoặc với thiên nhiên và môi trường được thuận tiện hơn

Cảm biến siêu âm omron:
Omron là một tên thương hiệu lớn của Nhật Bản, nước duy nhất
ở Châu Á Thái Bình Dương nằm trong nhóm G7.
Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi:
Là dòng cảm ứng của hãng Carlo Gavazzi đến từ Italy ; cũng trong
nhóm G7 Có khoanh vùng phạm vi đo là 350 mm đến 6000 mm,
nhưng tất cả chúng ta hồn tồn có thể thiết lập bất kể thang đo nào ;
miễn là trong số lượng giới hạn 6000 mm là được . Tín hiệu output
của cảm ứng cũng là dạng analog 4-20 mA hoặc 0-10 V
Cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel:
Dinel là một tên thương hiệu lớn của Cộng hòa Séc
chuyên về những loại cảm ứng đo mức ; báo mức
chất lỏng, chất rắn … .


Đề tài triển khai:
 Thiết kế hệ thống xe 4 bánh nhận biết vật cản ở phía
sau dung cảm biến siêu âm.


Cảm biến siêu âm HC-SR04 HC-SR04 là Loại cảm ứng khoảng
cách siêu âm được sử dụng rất thông dụng để xác lập khoảng cách vì
RẺ và CHÍNH XÁC .

 Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 Nó có năng lực đo khoảng
cách trong khoảng chừng từ 2 -> 300 cm được sử dụng để nhận biết
khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm
biến có thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao, phù hợp
cho các ứng dụng phát hiện vật cản, đo khoảng cách bằng sóng

siêu âm.


 Thông số kỹ thuật HC-SR04 :
 Điện áp hoạt động: 5VDC.
 Dịng tiêu thụ: 10~40mA.
 Chân tín hiệu: Echo, Trigger.
 Góc quét:<15 độ.
 Tần số phát sóng: 40Khz.
 Khoảng cách đo được: 2~450cm.
 Sai số: 0.3cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật
thể càng phẳng sai số càng nhỏ).
 Kích thước: 43mm x 20mm x 17m.

 Nguyên lý hoạt động:
 Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds - ú) từ chân Trig.
Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được
sóng phản xạ này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được
phát từ cảm biển và quay trở lại.
 Cảm biến SRF04 hoạt động dựa trên nguyên tắc phát đi một xung và tính thời gian
từ lúc phát xung đến lúc nhận về được xung đó. Từ đó tính khoảng cách bằng cách
với thời gian -nhân với vận tốc sóng siêu âm.


Thiết bị sử dụng:
-01 board Arduino
-01 Cảm biến siêu âm HC-SR04
-01 modun relay 5VDC 8 chân
-01 Đèn Led Báo
-01 điot 330 omh

-01 chuông Báo