Đồ án Hệ thống nhúng: Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm và hiển thị trên LCD

Trình bày đồ án hệ thống nhúng ứng dụng kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm và hiển thị kết quả trên màn hình LCD.

• Trường học: Trường Đại học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Đo khoảng cách dùng cảm biến siêu âm và hiển thị ra LCD
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm và hiển thị trên LCD Hướng dẫn chi tiết

Đo khoảng cách là một ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến đời sống hàng ngày. Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn cách thực hiện đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm và hiển thị kết quả trên màn hình LCD. Chúng ta sẽ khám phá các bước thiết kế, lập trình và ứng dụng thực tế của hệ thống này.

1.1. Tổng quan về cảm biến siêu âm và nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm là thiết bị sử dụng sóng âm tần số cao để đo khoảng cách. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm dựa trên thời gian truyền sóng âm từ cảm biến đến vật cản và phản xạ trở lại. Bằng cách đo thời gian này, chúng ta có thể tính toán được khoảng cách chính xác. Cảm biến siêu âm thường được sử dụng trong các ứng dụng như điều khiển tự động, robot, và đo lường trong công nghiệp.

1.2. Lựa chọn cảm biến siêu âm phù hợp

Có nhiều loại cảm biến siêu âm khác nhau trên thị trường, và việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04, một loại cảm biến phổ biến và dễ sử dụng. Cảm biến này có phạm vi đo từ 2cm đến 400cm với độ chính xác cao. Nó được tích hợp sẵn bộ khuếch đại và bộ lọc, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế.

1.3. Kết nối cảm biến siêu âm với vi điều khiển

Để thực hiện đo khoảng cách, chúng ta cần kết nối cảm biến siêu âm với vi điều khiển. Trong bài viết này, chúng ta sẽ sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, một loại vi điều khiển phổ biến và mạnh mẽ. Cảm biến siêu âm HC-SR04 có 4 chân kết nối: VCC, GND, Trigger và Echo. Chúng ta sẽ kết nối chân Trigger với chân ra của vi điều khiển để kích hoạt việc phát sóng âm, và chân Echo với chân vào để nhận tín hiệu phản xạ.

II. Lập trình và điều khiển hệ thống đo khoảng cách

Sau khi kết nối cảm biến siêu âm với vi điều khiển, chúng ta cần lập trình để điều khiển hệ thống và tính toán khoảng cách. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các bước lập trình và giải thuật điều khiển.

2.1. Viết chương trình trên Pic C Compiler

Để viết chương trình cho vi điều khiển PIC16F877A, chúng ta sử dụng phần mềm Pic C Compiler. Chương trình sẽ bao gồm các bước sau: kích hoạt chân Trigger để phát xung âm, đo thời gian phản xạ từ chân Echo, và tính toán khoảng cách dựa trên thời gian này. Chúng ta sẽ sử dụng các hàm và lệnh của ngôn ngữ C để thực hiện các thao tác này.

2.2. Mô phỏng và kiểm tra hệ thống trên Proteus

Trước khi thực hiện trên phần cứng thực tế, chúng ta có thể mô phỏng hệ thống trên phần mềm Proteus. Proteus là phần mềm mô phỏng điện tử, giúp chúng ta kiểm tra và điều chỉnh chương trình một cách dễ dàng. Bằng cách kết nối cảm biến siêu âm và vi điều khiển trong môi trường mô phỏng, chúng ta có thể kiểm tra hoạt động của hệ thống và đảm bảo tính chính xác trước khi triển khai thực tế.

2.3. Kết nối phần cứng và thử nghiệm

Sau khi hoàn tất phần lập trình và mô phỏng, chúng ta tiến hành kết nối phần cứng thực tế. Cảm biến siêu âm, vi điều khiển và màn hình LCD sẽ được kết nối theo sơ đồ mạch đã thiết kế. Chúng ta sẽ thực hiện các bước thử nghiệm và kiểm tra để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Trong quá trình thử nghiệm, chúng ta có thể điều chỉnh các tham số và thiết lập để đạt được kết quả tốt nhất.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Hệ thống đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm và hiển thị trên LCD có nhiều ứng dụng thực tế. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các trường hợp sử dụng và kết quả đạt được.

3.1. Điều khiển tự động và robot

Hệ thống đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm có thể được tích hợp vào các hệ thống điều khiển tự động và robot. Bằng cách sử dụng cảm biến siêu âm, chúng ta có thể xác định khoảng cách đến vật cản và điều khiển robot tránh va chạm hoặc điều chỉnh hành trình một cách chính xác. Ứng dụng này rất hữu ích trong các lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, vận chuyển hàng hóa, và robot học.

3.2. Đo lường và giám sát môi trường

Cảm biến siêu âm cũng được sử dụng trong các ứng dụng đo lường và giám sát môi trường. Ví dụ, trong lĩnh vực thủy văn, cảm biến siêu âm có thể được sử dụng để đo độ sâu của sông, hồ, hoặc đại dương. Trong nông nghiệp, cảm biến siêu âm có thể giúp giám sát độ ẩm của đất và hỗ trợ tưới tiêu một cách hiệu quả. Hệ thống đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm mang lại nhiều lợi ích trong việc quản lý và bảo vệ môi trường.

3.3. Kết quả nghiên cứu và đánh giá

Sau khi thực hiện nghiên cứu và thử nghiệm, chúng ta có thể đánh giá hiệu quả của hệ thống đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động chính xác và ổn định, với độ chính xác cao trong phạm vi đo từ 2cm đến 400cm. Hệ thống này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, mang lại lợi ích cho các lĩnh vực công nghiệp, khoa học, và đời sống hàng ngày.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. DANH MỤC HÌNH VẼ. DANH MỤC BẢNG BIỂU. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.1 Tổng quan về thiết bị đo khoảng cách hiện nay.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG.1 Sơ đồ khối của hệ thống.1 Khối HC-SR04.2 Khối điều khiển. GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN.1 Hoạt động của hệ thống.2 Giải thuật điều khiển:.1 Viết chương trên Pic C Compiler:.2 Mô phỏng trên Proteus.3 Kết nối phần cứng trên testboard:. TÀI LIỆU THAM KHẢO. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1.

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3.1 Tổng quan về thiết bị đo khoảng cách hiện nay Các thiết bị đo khoảng cách đã không còn xa lạ với người dùng hiện nay. Đây là một trong những thiết bị đo lường chuyên dụng được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong công nghiệp, xây dựng. Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI-1 Cảm biến khoảng cách là gì? Cảm biến khoảng cách hay còn được gọi với tên cảm biến li độ, là thiết bị điện tử giúp xác định khoảng cách từ vị trí của điểm xét đến vật thể.

Ngoài ra, loại cảm biến này còn được sử dụng để xác định mức hóa chất trong các loại bình chứa và các ứng dụng khác trong lĩnh vực công nghiệp, sản xuất. Phân loại các loại cảm biến khoảng cách Thông thường cảm biến khoảng cách có thể chia thành các dòng như sau: Cảm biến tiệm cận đo khoảng cách. 10 Loại cảm biến laser đo khoảng cách. Cảm biến dùng hệ thống sóng siêu âm.

Cảm biến từ đo khoảng cách Nguyên lý hoạt động của từng loại cảm biến khoảng cách Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận biến đổi các tín hiệu chuyển động hoặc lặp lại thành tín hiệu điện, đo khoảng cách bằng cách tạo một từ trường phía trước cảm biến. Loại cảm biến này cho hiệu quả đo chính xác cao, tuy nhiên chỉ phát hiện vật với khoảng cách rất ngắn, tính bằng đơn vị milimet. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phát ra chùm sóng siêu âm đến vật phản xạ về cảm biến. Đây cũng là thiết bị hoạt động cho kết quả có độ chính xác rất cao.

Với rất nhiều ứng dụng, cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nguyên lý hoạt động của cảm biến Encoder Cảm biến Encoder hoạt động trên nguyên lý đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa, giúp xử lý các chuyển động và chuyển thành các tín hiệu điện. Tuy không được sử dụng phổ biến như các loại cảm biến đo khoảng cách khác vì giá thành và ứng dụng không được rộng rãi, nhưng cảm biến Encoder lại thích hợp cho 1 số ứng dụng đặc thù trong ngành công nghiệp nặng. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến khoảng cách Các loại cảm biến đo khoảng cách thường có tín hiệu ngõ ra dạng analog dùng loại dòng điện 4-20ma, 0-20ma hay tín hiệu điện áp 0-5V, 0-10V (tín hiệu liên tục có đồ thị biểu diễn là một đường liên tục như đường hình sin, cos hoặc đường cong lên xuống bất kỳ), NPN hoặc PNP (dạng tín hiệu kích âm,nghĩa là không có tác động thì ngõ ra ở mức 1 bằng nguồn, còn có tác động thì ngõ ra ở mức 0 V, rơle… 11 Trong đó tín hiệu ngõ ra dạng analog 4-20mA là phổ biến nhất do tín hiệu ít nhiễu hơn, truyền đi được xa hơn khi sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu, khuếch đại tín hiệu.Tùy theo nhu cầu điều khiển giám sát mà người dùng có thể lựa chọn loại ngõ ra cho phù hợp.

Ứng dụng của cảm biến khoảng cách là gì? Đo khoảng cách: Ứng dụng đầu tiên chính là sử dụng để đo khoảng cách trong các hệ thống công nghiệp sản xuất, kho bãi, hàng hải. Ví dụ trong quá trình lắp ghép tàu, cảm biến đo khoảng cách từ mép bến cho tàu đến và đảm bảo rằng các mục tiêu được thông báo về khoảng cách hiện tại giữa tàu và các bến tàu đổ bộ ở tất cả các lần đo. Thông tin vị trí các hệ thống di chuyển: Trong các hệ thống di chuyển kho bãi như cần cẩu giàn, cảm biến khoảng cách rất quan trọng để có thông tin về vị trí hiện tại của cần cẩu, tránh trường hợp xảy ra va chạm. Cảm biến được lựa chọn là loại cảm biến vật cản laser, sử dụng với sự hỗ trợ của gương phản xạ.

Đo mực hóa chất: Cảm biến khoảng cách được ứng dụng nhiều trong việc xác định mức chất lỏng trong các bình chứa, hay lượng chất rắn như xi măng lưu trữ trong các bồn. Thiết bị đo khoảng cách được dùng để cung cấp cho các nhà điều hành cần cẩu với thông tin chính xác về số lượng xi măng mỗi chiếc tháp hoặc bồn. 12 Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI-2 Phát hiện vị trí các bộ phận, chi tiết máy: Sử dụng cảm biến khoảng cách tiệm cận giúp phát hiện các vật thể bằng kim loại, chi tiết máy với khoảng cách đo từ vài mm cho tới vài chục mm. Cảm biến còn được sử dụng để xác định xem các bộ phận trong dây chuyền di chuyển bằng cần cẩu có vào đúng vị trí hay không? Định vị container: Trong ngành hàng hải, khi bốc xếp container trên tàu, cầu, cảng và các phương tiện vận chuyển cần phải biết vị trí chính xác của các container liên quan đến cần cẩu.

Cảm biến khoảng cách sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc xác định vị trí và giám sát các container. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống 4.1 Khối HC-SR04 Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04, là một dạng cảm biến module. Cảm biến này thường chỉ là một bản mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm bởi 2 chiếc loa cao tần. Cảm biến siêu âm HC-SR04 thường được kết hợp với các bộ arduino, PIC, AVR,… để chạy một số ứng dụng như : phát hiện vật cản trên xe robot, đo khoảng cách vật,… 14 Hình THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG-3 Chính vì là một cảm biến siêu âm dạng module, cho nên hầu như ứng dụng hay độ chính xác của cảm biến đều phụ thuộc vào phần code mà người sử dụng lập trình và nạp vào bản mạch điều khiển.

Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần: Bộ phận phát sóng siêu âm Cấu tạo của các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao ở tần số thường là 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách. 15 Hình THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG-4 Cảm biến siêu âm sử dụng các xung của âm thanh siêu âm (âm thanh trên phạm vi thính giác của con người) để phát hiện khoảng cách giữa chúng và vật thể rắn lân cận. Các cảm biến này bao gồm hai thành phần chính: Một bộ phát sóng siêu âm – Khối này truyền các xung âm thanh siêu âm, nó hoạt động ở tần 40 KHz Một bộ thu sóng siêu âm phản xạ về – Khối thu lắng nghe các xung được truyền về. Nếu nó nhận được các xung này nó tạo ra một xung đầu ra mà độ rộng của nó có thể được sử dụng để xác định khoảng cách.

Thiết bị hoạt động như sau: Một xung ở mức cao (5V) trong thời gian ít nhất 10 μs (10 micro giây) được đưa vào chân Trigger. HC-SR04 đáp ứng bằng cách truyền một chùm tám xung với tần số 40 KHz. Mẫu 8 xung này làm “chữ ký siêu âm” từ thiết bị duy nhất này, cho phép bộ thu phân biệt giữa mẫu được truyền và tạp âm siêu âm. Tám xung siêu âm di chuyển qua không khí cách xa bộ phát.

Trong khi đó, chân Echo lên mức cao để bắt đầu hình thành sự khởi đầu của tín hiệu dội ngược. 16 Nếu xung này KHÔNG phản xạ về thì tín hiệu Echo sẽ hết thời gian chờ sau 38 ms (38 mili giây) và trở về mức thấp. Việc tạo ra xung 38 ms cho biết không có chướng ngại vật nào trong phạm vi của cảm biến. Nếu xung được phản xạ trở lại, chân Echo sẽ xuống thấp khi nhận được tín hiệu.

Điều này tạo ra một xung có độ rộng thay đổi từ 150 μs đến 25 ms, tùy thuộc vào thời gian nhận tín hiệu. Chiều rộng của xung nhận được được sử dụng để tính toán khoảng cách đến đối tượng được phản xạ. Hãy nhớ rằng xung cho biết thời gian cần để tín hiệu được gửi đi và phản xạ lại để có khoảng cách bạn sẽ cần phải chia kết quả của mình thành một nửa. Khoảng cách = (Thời gian x Vận tốc âm thanh trong không khí (340 m / s)) / 2 Hình THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG-5 Ví dụ đo mức chất lỏng có trong bồn chứa bằng cảm biến siêu âm HC-SR04: Ta sẽ có các bước như sau: Đặt chân TRIG lên mức Cao (5V) trong 10 μs (microseconds) 17 Sau đó module siêu âm ghi lại thời gian và gửi ra sóng âm tần số 40Khz Sóng siêu âm truyền xuống bề mặt chất lỏng trong bồn chứa và phản xạ lại Sóng phản xạ truyền ngược về đầu dò Module siêu âm nhận được sóng phản xạ và đánh dấu thời gian nhận được tín hiệu này Cuối cùng, module siêu âm đưa chân ECHO lên mức cao trong khoảng thời gian (microseconds ) phản hồi sóng âm (Gửi đi – nhận về) và tính toán ra khoảng cách.

Kết quả trên chân ECHO: 58 μs/cm Vì vậy, nếu chân ECHO lên mức cao trong thời gian 5800 μs (5.8 ms) , thì chúng ta tính được khoảng cách giữa cảm biến và mức chất lỏng trong bể là: 5800μs / 58μs/cm = 100cm = 1m Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SR04 Trước khi đi vào tìm hiểu các phần tiếp theo của dòng cảm biến này, chúng ta cùng điểm qua một vài thông số kỹ thuật nổi bật của cảm biến siêu âm HC-SR04 như sau: Model: HC-SR04 Điện áp làm việc: 5VDC Dòng điện: 15mA Tần số: 40 KHZ Khoảng cách phát hiện: 2cm – 4m Tín hiệu đầu ra: Xung mức cao 5V, mức thấp 0V Góc cảm biến: Không quá 15 độ. Độ chính xác cao: Lên đến 3mm Chế độ kết nối: VCC / Trig (T-Trigger) / Echo (R-Receive) / GND 18 4.2 Khối điều khiển Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, nhận tín hiệu từ khối HC-SR04 đưa về từ đó tính toán khoảng cách đến vật cản và hiển thị trên LCD. Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877A: PIC (Programmable Intelligent Computer) nghĩa là “Máy tính thông minh khả trình” xuất phát từ vi điều khiển PIC đầu tiên PIC1650, do hãng General Instrument đặt tên. Sau đó hãng Microchip tiếp tục phát triển loại PIC này và cho ra đời gần 100 loại PIC đến nay.