Cam-Bien-Sieu-Am-Srf05-Giao-Tiep-Voi-8051

5/9/2018 Cam-Bien-Sieu-Am-Srf05-Giao-Tiep-Voi-8051 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/cam-bien-sieu-am-srf05-giao-tiep-voi-8051-559bf5452b0e5 1/20

Tìm hiểu cảm biến siêu âm SRF05 GVHD: Ths. Tr ần Nguyên Bảo Trân

Sinh viên : Ngô Minh Hoàng MSSV : 08115001 http://www.ebook.edu.vn Page 1

BỘ CÔNG THƯƠ NG

TR ƯỜ NG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN K Ỹ THUẬT VI XỬ LÝ

TIỂU LUẬN

GVHD : Ths. Trần Nguyên BảoTrân Sinh Viên : Ngô Minh Hoàng

MSSV : 08115001

Lớ p HP : 110205303

Tp. H ồ Chí Minh, tháng 7 nă m 2010





r ướ c tiên em xin chân thành gửi lờ i cảm ơ n đến ban giám hiệu tr ườ ng ĐạiHọc Công Nghiệ p TpHCM đã tạo điều kiện cho chúng em có một môitr ườ ng học tậ p tốt vớ i cơ sở khang trang đầy đủ tiện nghi, tạo điệu kiện

thuận lợ i cho việc học tậ p và làm tiểu luận của em.

Em xin chân thành cảm ơ n các thầy Khoa Công Nghệ Điện tử, thầy giáohướ ng dẫn, đã tạo nhiều điều kiện, hướ ng dẫn tận tình cụ thể, phát huy cho em tínhtự học, tự tìm hiểu và khảo sát các linh kiện điện tử và cách thức hoạt động cùachúng, cụ thể là vi xử lý 8051; hình thành cho em phươ ng pháp nghiên cứu, tìm

tòi, tiế p cận vớ i các công nghệ vi điều khiển.Trau dồi cho em k ỹ năng học tậ p năngđộng và sáng tạo, giúp cho em tiế p cận các hệ thống xử lý thông minh trong thựctế một cách thiết thực hơ n. Không có gì quý giá hơ n lờ i cảm ơ n, lờ i cảm ơ n chânthành và kính tr ọng xin gửi đến các quý thầy cô giáo.

T





MỤC LỤC TRANG

Lờ i mở đầu ...................................................................................................... 4Phần mở đầu .................................................................................................... 5

1.Một số loại cảm biến siêu âm ............................................................... 52.Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF ....................................... 63.Một số vi điều khiểu họ 8051 ............................................................... 7

Phần nội dung .................................................................................................. 81.Cảm biến siêu âm và đặc điểm k ỹ thuật ............................................... 8

2.Vi điều khiển 8051 ............................................................................. 133.Giao tiế p giữa 8051 vớ i cảm biến siêu âm SRF05 ............................. 144.Một số ứng dụng của SRF05 vớ i bộ vi điều khiển ............................ 17

Phần k ết luận ................................................................................................. 19Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 19





ự học và nghiên cứu là một vấn đề quan tr ọng không thể thiếu trong sự nghịêp học vô bờ . Bài tiểu luận này đượ c xây dựng dựa trên những hiểu biếtcủa em có đượ c từ việc đọc và dịch các tài liệu có liên quan, từ đó đúc k ết

nên theo cách hiểu của cá nhân mình. Bố cục của bài tiểu luận này gồm có 3 phần :

Phần mở đầu : Giớ i thiệu sơ lượ c đề tài

Phần nội dung : Cảm biến siêu âm SRF05 và giao tiế p của SRF05 vớ i vi

điều khiển 8051. Phần k ết luận : Những vấn đề đúc k ết đượ c.

Em r ất mong đượ c sự nhận xét chân tình và đánh giá cụ thể của thầy cùng sự góp ýmật thiết của các bạn trong lớ p.

Dù đã đượ c bổ sung nhiều lần, nhưng bài tiểu luận không tránh khỏi nhữnghạn chế và thiếu sót. R ất mong đượ c sự đóng góp và phê bình của thầy để em cóthể làm tốt hơ n ở những bài tiều luận khác.

T





PHẦN MỞ ĐẦU : GIỚ I THIỆU SƠ LƯỢ C

1. Một số loại cảm biến siêu âm :

Cảm biến siên âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vật trong khoảngcách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạtđộng khác nhau mà ngườ i ta chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau.

1.1. Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (Time Of Flight )

Sóng siêu âm đượ c truyền đi trong không khí vớ i vận tốc khoảng 343m/s. Nếu mộtcảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thờ i, đo đượ c khoảngthờ i gian từ lúc phát đi tớ i lúc thu về, thì máy tính có thể xác định đượ c quãng đườ ng mà

sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đườ ng di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lầnkhoảng cách từ cảm biến tớ i chướ ng ngoại vật, theo hướ ng phát của sóng siêu âm.Haykhoảng cách từ cảm biến tớ i chướ ng ngại vật sẽ đượ c tính theo nguyên lý TOF:d = v • t/2





1.2. Tầm quét của cảm biến siêu âm :Cảm biến siêu âm có thể đượ c mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dườ ng như không có chướ ng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dườ ng như cóchướ ng ngại vật nằm ở đâu đó.

2. Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Cảmbiến

Thôngtin

Range

Angle*

Echoes**

Thờ i giankhác nhau,

Ghi chúTốithiểu

Tốiđa

SRF02I2C /

Serial15 cm 6 m 45 ° Một 70 ms A

SRF04K ỹ thuậtsố

3 cm 3 m 45 ° Một 100 μs - 36 ms

SRF05K ỹ thuậtsố

3 cm 4 m 45 ° Một 100 μs - 36 ms

SRF08 I2C 3 cm 6 m 45 ° 17 65 ms BC

SRF10 I2C 3 cm 6 m 60 ° Một 65 ms AB

SRF235 I2C 10 cm 1,2 m 15 ° Một 10 ms AD

*: Ướ c tính góc của hình nón cảm biến ở 1 / 2 cảm biến**: Số vang ghi lại bở i cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, vàđượ c ghi đè mớ i bằng mỗi lần khác nhau.A: Những cảm biến nhỏ hơ n điển hình (SRF 05/04 / 08) kích thướ c.

B: Phạm vi thờ i gian có thể đượ c điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh đượ c.





C: cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt tr ướ c để phát hiện ánh sáng.D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơ n.

3. Một số loại vi điều khiển họ 8051 :

Chip ROM trong RAM trong Bộ định thờ i8031 0 KB 128 byte 28032 0 KB 256 byte 38051 4 KB PROM 128 byte 28052 8KB PROM 256 byte 38751 4KB UV-EPROM 128 byte 28752 8KB UV-EPROM 256 byte 38951 4 KB FLASH ROM 128 byte 28952 8 KB FLASH ROM 256 byte 3

Sơ đồ chân vi điều khiển 8052/8031





PHẦN NỘI DUNG :CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051

1. Cảm biến siêu âm SRF05 và đặc điểm k ỹ thuật

1.1. Giớ i thiệu + SRF05 là một bướ c phát triển từ

SRF04, đượ c thiết k ế để làm tăng tính linhhoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớ tchi phí. SRF05 là hoàn toàn tươ ng thích vớ iSRF04. Khoảng cách đượ c tăng từ 3 métđến 4 mét.

+ SRF05 cho phép sử dụng một chân duy

nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiếtkiệm giá tr ị trên chân điều khiển. Khi chânchế độ không k ết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và chân hồi tiế p,như SRF04. SRF05 bao gồm một thờ i gian tr ễ tr ướ c khi xung phản hồi để mang lại điềukhiển chậm hơ n chẳng hạn như bộ điều khiển thờ i gian cơ bản Stamps và Picaxe để thựchiện các xung lệnh.

1.2. Các chế độ của SRF05

1.2.1. Chế độ 1 : Tươ ng ứ ng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi

Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơ n giảnnhất để sử dụng. Tất cả các chươ ng trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này. Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không k ết nối - SRF05 có mộtnội dừng trên chân này .





1.2.2. Chế độ 2 – Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiế p, và đượ c

thiết k ế để lưu các giá tr ị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ này,chân chế độ k ết nối vào chân mass. Tín hiệu hồi tiế p sẽ xuất hiện trên cùng một chân vớ itín hiệu kích hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi k ết thúccác tín hiệu kích hoạt.

Để sử dụng chế độ 2 vớ i các Stamps BS2 cơ bản, ta chỉ cần sử dụng PULSOUT vàPULSIN trên cùng một chân, như sau :





SRF05 PIN 15 sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echoRange VAR Word xác định phạm vi biến 16 bitSRF05 = 0 bắt đầu bằng pin thấ pPULSOUT SRF05, 5 đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS)PULSIN SRF05, 1, Range echo đo thờ i gianRange = Range/29 để chuyển đổi sang cm(chia 74 cho inch

+Tính toán khoảng cách : Giản đồ định thờ i SRF05 thể hiện ở hai chế độ trên; Chỉ cần cung cấ p một đoạn xungngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách. Các SRF05 sẽ cho ra một chuk ỳ 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 r ộng tỷ lệ vớ i khoảng cách đến đối tượ ng. Bằngcách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch / centimét hoặc đơ nvị đo khác. Nếu không phát hiện gì thì SRF05 giảm thấ p hơ n dòng phản hồi của nó saukhoảng 30mS. SRF05 có thể đượ c kích hoạt nhanh chóng vớ i mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây. Nên

chờ 50ms tr ướ c khi kích hoạt k ế tiế p, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượ ng gần vàxung phản hồi ngắn hơ n. Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo k ế tiế p.

+Các thiết lập khác của chân 5 Chân 5 đượ c đóng nhãn là "programming pins" đượ c sử dụng một lần duy nhất trong quá

trình sản xuất để lậ p trình cho bộ nhớ Flash trên chip PIC16F630. Các chươ ng trình củaPIC16F630 pins cũng đượ c sử dụng cho các chức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn





r ằng không k ết nối bất cứ cái gì vớ i các chân này, nếu không sẽ làm gián đoạn hoạt độngmô-đun.

+Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm

Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón vớ i độ r ộng của chùm là một hàm của diện tíchmặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến đượ c sử dụng trên SRF05đượ c biểu diễn bên dướ i:

1.3.Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 :

+ Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đólắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cậ p một đối tượ ng vàđượ c phản xạ tr ở lại. Để tính thờ i gian cho phản hồi tr ở về, một ướ c tính chính xáccó thể đượ c làm bằng khoảng cách tớ i đối tượ ng. Xung âm thanh tạo ra bở i SRF05là siêu âm, ngh ĩ a là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con ngườ i. Trong khi tần số thấ p hơ n có thể đượ c sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơ n thực hiện tốthơ n cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao.





+ Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05Mức độ của sóng âm hồi tiế p phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượ ng và góc phản xạ của nó.

+ Vùng phát hiện của SRF05- Nếu ngưỡ ng để phát hiện đối tượ ng đượ c đặt quá gần vớ i cảm biến, các đối tượ ng

trên một đườ ng có thể bị va chạm tại một điểm mù. Nếu ngưỡ ng này đượ c đặt ở một

khoảng cách quá lớ n từ các cảm biến thì các đối tượ ng sẽ đượ c phát hiện mà không phảilà trên một đườ ng va chạm.

- Một k ỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt đượ c phát hiện chiều r ộnglớ n hơ n ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơ n vị SRF05 bổ sung và





gắn k ết của hai đơ n vị hướ ng về phía tr ướ c. Thiết lậ p như vậy thì có một khu vực mà haikhu vực phát hiện chồng chéo lên nhau.

2. Vi điều khiền 8051:Một số đặc tính cơ bản :- Bộ nhớ chươ ng trình bên trong: 4 KB (ROM)- Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)- Bộ nhớ chươ ng trình bên ngoài: 64 KB (ROM)- Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64 KB (RAM)- 4 port xuất nhậ p (I/O port) 8 bit- 2 bộ định thờ i 16 bit- Mạch giao tiế p nối tiế p- Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẽ)- 210 vị trí nhớ đượ c định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit- Nhân / Chia trong 4 us





-Sơ đồ chân 8051

3.Giao tiếp giữ a 8051 vớ i cảm biến SRF05-Các cảm biến siêu âm SRF05 cần một mạch đơ n giản: nguồn 5V, một đầu vào tín

hiệu kích hoạt và đầu ra phản hồi. Bộ cảm biến đượ c k ết nối vớ i một PIC18F4420 chođầu vào, đầu ra và tính toán khoảng cách.Danh sách phần cứng để k ết nối:+ Phạm vi tìm kiếm bằng siêu âm SRF05+ PIC18F4420 Vi xử lý+ Winford R-11 tiêu đề + Vi mạch MPLAB ICD 2+ Vi mạch MPLAB IDE

+ Ardin 39,3216 MHz đồng hồ Crystal+ Nguồn điện 5V-Các đầu vào kích hoạt đượ c k ết nối vớ i Pin20 của bộ vi xử lý và đầu ra phản hồi

đượ c k ết nối vớ i Pin21.Một xung chiều r ộng 10 micro giây đượ c gửi tớ i các đầu vào và sau đó kích hoạt đầu vàođượ c bật off.Sau đó, dòng phản hồi k ết quả đượ c bật, khi đó nhận đượ c tín hiệu phản hồi. Thờ i gian

phản hồi là 1 tín hiệu xác định thờ i gian thực hiện cho xung để tr ở về sau khi nảy ra khỏiđối tượ ng. Đầu ra phản hồi đượ c gửi đến một chuyển đổi Analog và số trong bộ đếm





HEX. Ngõ ra sau đó đượ c chuyển thành khoảng cách khi biết vận tốc và thờ i gian của tínhiệu . Thờ i điểm của mạch đượ c điều khiển bở i một đồng hồ đượ c thiết lậ p đến 400MHz. Winford R-11 là tiêu đề trên đượ c sử dụng cho chươ ng trình vi xử lý.

+Sơ đồ dây nối cảm biến siêu âm SRF05 vớ i bộ vi điểu khiển và đồng hồ





+Nguyên lý hoạt động : Bộ vi điều khiển nhận các tín hiệu từ môi tr ườ ng bên ngoàithông qua bộ biến đổi ADC, đượ c sử dụng để thu dữ liệu. Các máy tính số chỉ sử dụnggiá tr ị thậ p phân, nhưng trong thực tế là các đại lượ ng vật lý như : vận tốc, nhiệt độ, áp

suất..; Do đó, cần có bộ biến đổi để chuyển các đại lượ ng vật lý thành các tín hiệu điệnhoặc điện áp, các bộ điều khiển có thể đượ c coi như là các cảm biến. Các cảm biến có thể cho ra tín hiệu dạng dòng điện hoặc điện áp ở dạng liên tục.

C¸c ®¹i l− îng vËt lý(nhiÖt ®é, ¸p suÊt, l− u tèc v.v)

Bé biÕn ®æi

Phèi hîp tÝn hiÖu

ADC

Bé vi ®iÒu khiÓn





4. Một ứ ng dụng của SRF05 và bộ vi điều khiển : Vi mạch Schematic (giản đồ)

+Chế độ 1 hoạt động : Trong sơ đồ sau đây, hai k ỹ thuật số I / O pins của mộtBrainStem GP 2,0 đượ c cấu hình để xử lý các ECHO và dòng Init của SRF05 modulekhác nhau. Pin ECHO là dây dẫn đến cổng số pin GP 1. Đây là dòng mà sẽ nhận đượ c giátr ị đượ c đo bằng SRF05. Các pin ECHO phải có khả năng sử dụng các đầu vào Ptimer chụ p để đo chiều r ộng của xung đượ c tạo ra bở i các SRF05. Các pin init là dây vào cácchân k ỹ thuật số GP 0, pin này sẽ gửi một xung 10 USEC để bắt đầu vỡ âm, mạch đượ chỗ tr ợ bở i một 6C Battery Pack.





+Chế độ 2 hoạt động : Trong sơ đồ sau đây, một pin duy nhất cổng số đượ c sử dụngcho init và cả đườ ng ECHO của SRF05 .Đối vớ i sơ đồ này, init / line ECHO là dây vàochân số 1 GP. Pin này có khả năng đo chuyển động của hệ thống.





PHẦN K ẾT LUẬN : NHỮ NG VẤN ĐỀ ĐÚC K ẾT ĐƯỢ C

+ Cảm biến siêu âm SRF05 là loại cảm biến đượ c cấu thành từ hai bộ phận : bộ phận phát

sóng âm và bộ phận thu sóng âm. Ứ ng dụng của SRF05 đượ c sử dụng r ộng rãi, dùng để nhận biết các vật trong khoảng cách từ 3cm đến 4m và đo khoảng cách của vật. Đặc tínhvượ t tr ội của SRF05 là ở chế độ 2.+ Cảm biến siêu âm SRF05 có khả năng k ết nối vớ i vi điều khiển 8051 tạo thành vi mạchđiều khiển, ứng dụng của khả này đượ c sử dụng trong một robốt dò đườ ng tránh chướ ngngại vật và đo khoảng cách.+ Trong công nghiệ p các cảm biến siêu âm cũng có thể gặ p phải nhiều sai xót do môitr ườ ng ngoài tác động lên cảm biến, do vậy cần có những bộ phận xử lý tín hiệu từ cảm

biến.+ Ngày nay, ngườ i ta vẫn tiế p tục nghiên cứu và phát triển việc chế tạo các robot có gắncảm biến siêu âm đồng thờ i vớ i các cảm biến khác như laser, camera… k ết hợ p vớ i cáccông nghệ của viễn thông như GPS, GSM nhằm nâng cao độ chính xác trong việc định vị cũng như thăm dò một khoảng không gian nào đó để xây dựng bản đồ.

Tài liệu tham khảo

+Sonar faq, srf05tech, Application_Note_Ultrasonic +HANS P. MORAVEC, “Sensor Fusion in Certain

Grid for Mobiles Robots” +Các trang web tham khảo: ant7.com, acroname.com, hobbyengineering.com,

cpu.word.com, metechvn.com, robotics.com.





NHẬ N XÉT CỦA GIẢ NG VIÊN HUỚ NG DẪ N

..............................................................................................................................................................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

..............................................................................................................................................................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

...............................................................................................................................

................................................................................................................................................................................................................................................

.................................................................................................................

.................................................................................................................

.................................................................................................................

Documents

Cam-Bien-Sieu-Am-Srf05-Giao-Tiep-Voi-8051