Đồ án: Thiết Kế Hệ Thống Đo Khoảng Cách Dùng Cảm Biến Siêu Âm (Nguyễn Trọng Ngãi)

Đồ án thiết kế hệ thống đo khoảng cách dùng cảm biến siêu âm. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch, code và ứng dụng thực tế của hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Ngãi
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Anh Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Quản Lý Và Công Nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tử Động Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Đo Khoảng Cách Dùng Cảm Biến Siêu Âm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• 1. Chương 1: Tổng quan về cảm biến và Arduino
• 1.1. Sóng siêu âm
• 1.2. Cảm biến siêu âm
• 1.3. Cảm biến siêu âm SRF10
• 1.4. Giới thiệu Arduino
• 1.4.1. Một số KIT tiêu biểu
• 2. Chương 2: Thiết kế hệ thống đo dùng cảm biến siêu âm
• 2.1. Thiết kế hệ thống thu phát siêu âm đo khoảng cách
• 2.2. Thiết kế phần cứng giao tiếp cảm biến và Kit Arduino
• 2.3. Khối hiển thị
• 2.4. Thiết kế khối cảnh báo
• 2.5. Lưu đồ thuật toán
• Kết luận
• Phụ lục
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Cảm Biến Siêu Âm Tổng Quan và Nguyên Lý Hoạt Động

Các hệ thống đo khoảng cách ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến đời sống. Trong số đó, việc sử dụng cảm biến siêu âm nổi lên như một giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí và dễ dàng tích hợp. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về cảm biến siêu âm, nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo khoảng cách.

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên việc phát ra sóng siêu âm và đo thời gian sóng phản xạ trở lại. Khoảng cách được tính toán dựa trên tốc độ âm thanh trong môi trường và thời gian di chuyển của sóng. Các loại cảm biến siêu âm phổ biến bao gồm HC-SR04 và US-100, mỗi loại có những ưu điểm và hạn chế riêng về phạm vi đo, góc đo và độ chính xác. Một số tài liệu nghiên cứu chỉ ra rằng, môi trường xung quanh, nhiệt độ, và vật liệu của vật thể được đo đều có thể ảnh hưởng đến kết quả. (Trích dẫn: "Tốc độ lan truyền cÿa siêu âm phā thuộc vào bản chất và nhiệt độ môi trưßng truyền âm, không phā thuộc vào tần số.")

Việc lựa chọn cảm biến siêu âm phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Ví dụ, trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, cần sử dụng các cảm biến có khả năng bù trừ nhiệt độ và lọc nhiễu tốt. Trong khi đó, với các ứng dụng không gian hẹp, kích thước và góc đo của cảm biến là những yếu tố quan trọng cần xem xét. Các mạch điện tử sử dụng cảm biến siêu âm thường được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sai số.

1.1. Sóng Siêu Âm Định Nghĩa Đặc Tính và Ứng Dụng

Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn 20kHz, vượt quá ngưỡng nghe của tai người. Đặc tính quan trọng của sóng siêu âm là tính chất sóng dọc, khả năng truyền trong môi trường đàn hồi (trừ chân không), và tạo ra sự thay đổi áp lực trong môi trường truyền dẫn. Tốc độ truyền của sóng siêu âm phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của môi trường, chứ không phụ thuộc vào tần số. Trong không khí, tốc độ này vào khoảng 342m/s, còn trong cơ thể người là khoảng 1540m/s.

Ứng dụng của sóng siêu âm rất đa dạng. Trong công nghiệp, nó được dùng để kiểm tra khuyết tật vật liệu (NDT), làm sạch bề mặt. Trong y học, sóng siêu âm đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán hình ảnh (siêu âm), điều trị vật lý trị liệu. Ngoài ra, sóng siêu âm còn được ứng dụng trong các thiết bị đuổi chuột, diệt côn trùng, nhờ vào khả năng gây khó chịu cho các loài vật này. Ví dụ, máy đuổi chuột phát ra sóng âm tần số cao gây khó chịu, khiến chúng phải bỏ đi. (Trích dẫn: "Như đã đề cập á trên, siêu âm là loại sóng có tần số cao hơn những gì tai ngưßi có thể nghe thấy, nhưng các loài xâm nhập có thể phát hiện ra chúng.")

1.2. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động của Cảm Biến Siêu Âm

Cấu tạo chủ yếu của cảm biến siêu âm dựa trên tinh thể áp điện (Piezoelectric). Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát tạo ra sóng siêu âm bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện, tức là biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Bộ thu, ngược lại, chuyển đổi sóng siêu âm phản xạ trở lại thành tín hiệu điện.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên việc đo thời gian di chuyển của sóng siêu âm. Một xung điện ngắn được phát ra, tạo ra sóng siêu âm. Khi sóng này gặp vật cản, nó phản xạ trở lại cảm biến. Thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng (Time of Flight - TOF) được đo và sử dụng để tính khoảng cách. Công thức tính khoảng cách là d = (v * t) / 2, trong đó d là khoảng cách, v là vận tốc âm thanh, và t là thời gian di chuyển. Các loại cảm biến khác nhau có thể sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu khác nhau để cải thiện độ chính xác và giảm nhiễu.

II. Thiết Kế Mạch Đo Khoảng Cách Arduino và Cảm Biến HC SR04

Để xây dựng một hệ thống đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm, việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp là rất quan trọng. Arduino, với sự đơn giản trong lập trình và khả năng giao tiếp linh hoạt, là một lựa chọn phổ biến. Trong đó, Arduino Uno và Arduino Mega là hai dòng được sử dụng rộng rãi. Cảm biến HC-SR04, với chi phí thấp và hiệu năng ổn định, thường được kết hợp với Arduino để tạo thành một hệ thống đo khoảng cách hoàn chỉnh.

Việc thiết kế mạch điện tử kết nối cảm biến siêu âm và Arduino đòi hỏi sự hiểu biết về sơ đồ mạch, các chân kết nối, và cách lập trình để điều khiển cảm biến và xử lý tín hiệu. Các yếu tố như điện áp hoạt động, dòng điện tiêu thụ, và cách filtering tín hiệu cũng cần được xem xét để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Bên cạnh đó, việc sử dụng các thư viện hỗ trợ cảm biến siêu âm cho Arduino giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và giảm thiểu thời gian phát triển.

2.1. Kết Nối và Giao Tiếp Cảm Biến HC SR04 với Arduino

Kết nối cảm biến HC-SR04 với Arduino rất đơn giản. Cảm biến có bốn chân: VCC (nguồn), GND (mass/ đất), Trig (trigger/ kích hoạt), và Echo (echo/ phản hồi). Chân VCC được kết nối với nguồn 5V của Arduino, chân GND với GND. Chân Trig và Echo được kết nối với các chân digital của Arduino.

Để giao tiếp với cảm biến, Arduino sẽ gửi một xung ngắn (khoảng 10 micro giây) đến chân Trig. Khi đó, cảm biến sẽ phát ra 8 xung siêu âm ở tần số 40 kHz và đồng thời kích hoạt chân Echo. Chân Echo sẽ duy trì ở mức HIGH cho đến khi sóng siêu âm phản xạ trở lại và được cảm biến thu được. Độ rộng của xung HIGH trên chân Echo tỉ lệ thuận với thời gian di chuyển của sóng siêu âm, từ đó tính được khoảng cách. Việc đọc và xử lý tín hiệu từ chân Echo được thực hiện thông qua các hàm như pulseIn() trong Arduino IDE.

2.2. Lập Trình Code Arduino để Đo Khoảng Cách từ HC SR04

Chương trình Arduino để đo khoảng cách từ HC-SR04 bao gồm các bước sau:

1. Định nghĩa các chân kết nối (Trig và Echo).
2. Khởi tạo các chân này ở chế độ OUTPUT (Trig) và INPUT (Echo).
3. Phát xung kích hoạt bằng cách đặt chân Trig ở mức HIGH trong một khoảng thời gian ngắn.
4. Đọc độ rộng xung từ chân Echo bằng hàm pulseIn().
5. Tính toán khoảng cách bằng công thức d = (v * t) / 2, trong đó v là vận tốc âm thanh (khoảng 343 m/s hoặc 0.0343 cm/micro giây), và t là thời gian (độ rộng xung).
6. Hiển thị kết quả lên Serial Monitor hoặc các thiết bị hiển thị khác.

Một đoạn code mẫu có thể như sau: (Trích dẫn: Xem phần Phụ lục của tài liệu gốc để có Code đầy đủ) c++ const int trigPin = 2; const int echoPin = 3; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); } void loop() { digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); long duration = pulseIn(echoPin, HIGH); float distance = duration * 0.0343 / 2; Serial.print("Distance: "); Serial.print(distance); Serial.println(" cm"); delay(100); }

III. Hiển Thị và Cảnh Báo Khoảng Cách LCD và Buzzer Loa

Sau khi đo được khoảng cách, việc hiển thị thông tin này một cách trực quan là cần thiết. Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) là một lựa chọn phổ biến để hiển thị số liệu đo được. Ngoài ra, việc sử dụng buzzer hoặc loa để cảnh báo khi khoảng cách đạt đến một ngưỡng nhất định giúp tăng tính ứng dụng của hệ thống.

Kết nối LCD với Arduino đòi hỏi việc thiết lập các chân kết nối và lập trình để gửi dữ liệu đến LCD. Tương tự, kết nối buzzer hoặc loa và điều khiển âm thanh cũng cần kiến thức về mạch điện tử và lập trình. Việc kết hợp cả LCD và buzzer/loa giúp tạo ra một hệ thống đo khoảng cách đa chức năng, vừa hiển thị thông tin vừa cảnh báo khi cần thiết.

3.1. Kết Nối và Lập Trình LCD 1602A với Arduino để Hiển Thị Khoảng Cách

Màn hình LCD 1602A (16 ký tự x 2 dòng) thường được sử dụng để hiển thị thông tin từ Arduino. Việc kết nối LCD với Arduino có thể thực hiện theo hai chế độ: 4-bit hoặc 8-bit. Chế độ 4-bit giúp tiết kiệm số lượng chân kết nối cần thiết trên Arduino.

Các bước kết nối và lập trình cơ bản như sau:

1. Kết nối các chân của LCD (RS, EN, D4-D7) với các chân digital của Arduino.
2. Khai báo các chân này trong code Arduino bằng thư viện LiquidCrystal.h.
3. Khởi tạo đối tượng LiquidCrystal với các chân đã khai báo.
4. Sử dụng các hàm như lcd.begin(), lcd.print(), và lcd.setCursor() để hiển thị dữ liệu lên LCD.

Ví dụ: c++ #include <LiquidCrystal.h> LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7); // RS, EN, D4, D5, D6, D7 void setup() { lcd.begin(16, 2); // Khởi tạo LCD 16x2 lcd.print("Distance: "); } void loop() { lcd.setCursor(0, 1); // Di chuyển con trỏ đến dòng 2, cột 1 lcd.print(distance); // In giá trị khoảng cách lcd.print(" cm"); delay(100); }

3.2. Sử Dụng Buzzer hoặc Loa để Cảnh Báo Khoảng Cách Gần

Để cảnh báo khi khoảng cách nhỏ hơn một ngưỡng nhất định, có thể sử dụng buzzer hoặc loa. Kết nối buzzer hoặc loa với một chân digital của Arduino. Trong code Arduino, sử dụng hàm tone() để tạo ra âm thanh khi khoảng cách nhỏ hơn ngưỡng.

Ví dụ: c++ const int buzzerPin = 12; // Chân kết nối với buzzer const float alertDistance = 5.0; // Ngưỡng khoảng cách cảnh báo void setup() { pinMode(buzzerPin, OUTPUT); // Đặt chân buzzer ở chế độ OUTPUT } void loop() { if (distance < alertDistance) { tone(buzzerPin, 1000); // Phát âm thanh ở tần số 1000 Hz } else { noTone(buzzerPin); // Tắt âm thanh } }

IV. Ứng Dụng Thực Tế của Đo Khoảng Cách bằng Cảm Biến Siêu Âm

Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm có rất nhiều ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực khác nhau. Trong robotics, nó được sử dụng để tránh vật cản và điều hướng. Trong đỗ xe tự động, nó giúp xe xác định khoảng cách đến các vật thể xung quanh. Trong đo mức chất lỏng, nó được sử dụng để đo chiều cao của chất lỏng trong các bể chứa.

Ngoài ra, cảm biến siêu âm còn được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động, phát hiện vật cản, và nhiều ứng dụng DIY (Do It Yourself) khác. Tính linh hoạt, dễ dàng tích hợp, và chi phí thấp làm cho cảm biến siêu âm trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho nhiều dự án.

4.1. Ứng Dụng trong Robot Tránh Vật Cản và Điều Hướng

Trong lĩnh vực robotics, cảm biến siêu âm đóng vai trò quan trọng trong việc giúp robot nhận biết môi trường xung quanh. Robot sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện vật cản, từ đó điều chỉnh hướng di chuyển để tránh va chạm.

Các thuật toán điều khiển được sử dụng để xử lý dữ liệu từ cảm biến và đưa ra quyết định di chuyển phù hợp. Ví dụ, robot có thể sử dụng dữ liệu từ nhiều cảm biến để tạo ra bản đồ môi trường và tìm đường đi ngắn nhất đến mục tiêu. Điều này đặc biệt hữu ích trong các môi trường phức tạp, nơi robot cần di chuyển một cách tự động và an toàn.

4.2. Ứng Dụng trong Đỗ Xe Tự Động Hỗ Trợ Xác Định Khoảng Cách

Trong các hệ thống đỗ xe tự động, cảm biến siêu âm được sử dụng để xác định khoảng cách đến các xe khác và các vật cản xung quanh. Hệ thống sẽ cung cấp thông tin cho người lái xe hoặc tự động điều khiển xe để đỗ vào vị trí một cách an toàn và chính xác.

Các cảm biến thường được gắn ở phía trước và phía sau xe để bao phủ một phạm vi rộng. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý để tính toán khoảng cách và góc độ, từ đó đưa ra các hướng dẫn cho người lái hoặc điều khiển xe tự động. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro va chạm và làm cho quá trình đỗ xe trở nên dễ dàng hơn.

V. Hiệu Chỉnh và Tối Ưu Độ Chính Xác Cho Cảm Biến Siêu Âm

Để đạt được kết quả đo chính xác nhất từ cảm biến siêu âm, việc hiệu chỉnh và tối ưu là rất quan trọng. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và bề mặt vật thể có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến.

Việc calibrate cảm biến trong môi trường thực tế và sử dụng các kỹ thuật filtering để loại bỏ noise giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của phép đo. Ngoài ra, việc lựa chọn tần số siêu âm phù hợp và điều chỉnh góc đo cũng đóng vai trò quan trọng.

5.1. Phương Pháp Hiệu Chỉnh Cảm Biến Siêu Âm Để Tăng Độ Chính Xác

Để hiệu chỉnh cảm biến siêu âm, cần thực hiện các bước sau:

1. Đo khoảng cách đến một vật thể có khoảng cách đã biết.
2. So sánh kết quả đo được với giá trị thực tế.
3. Tính toán hệ số hiệu chỉnh để bù trừ sai số.
4. Áp dụng hệ số hiệu chỉnh vào công thức tính khoảng cách.

Quá trình này nên được lặp lại nhiều lần với các khoảng cách khác nhau để đảm bảo độ chính xác trên toàn dải đo. Ngoài ra, cần xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến vận tốc âm thanh và điều chỉnh hệ số hiệu chỉnh tương ứng.

5.2. Kỹ Thuật Filtering Tín Hiệu Để Giảm Noise và Cải Thiện Độ Tin Cậy

Noise là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm. Noise có thể do nhiều nguyên nhân, như nhiễu điện từ, phản xạ không mong muốn, và các yếu tố môi trường khác.

Để giảm thiểu ảnh hưởng của noise, có thể sử dụng các kỹ thuật filtering tín hiệu. Một số kỹ thuật phổ biến bao gồm:

• Trung bình trượt (Moving Average): Tính trung bình của một số mẫu liên tiếp để làm mịn tín hiệu.
• Bộ lọc Kalman: Sử dụng mô hình toán học để ước lượng trạng thái của hệ thống và loại bỏ noise.
• Bộ lọc median: Chọn giá trị trung vị của một số mẫu liên tiếp để loại bỏ các giá trị đột biến.

VI. Tương Lai và Xu Hướng Phát Triển của Cảm Biến Siêu Âm

Lĩnh vực cảm biến siêu âm không ngừng phát triển với nhiều xu hướng mới. Các cảm biến ngày càng nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, và có độ chính xác cao hơn. Việc tích hợp cảm biến siêu âm với các công nghệ khác, như AI (Artificial Intelligence) và IoT (Internet of Things), mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng mới.

Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng thấy cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực như y tế, giao thông vận tải, và nhà thông minh.

6.1. Tích Hợp AI và Machine Learning để Xử Lý Dữ Liệu Cảm Biến

Việc tích hợp AI và Machine Learning (học máy) cho phép xử lý dữ liệu từ cảm biến siêu âm một cách thông minh hơn. Các thuật toán Machine Learning có thể được sử dụng để nhận diện mẫu, dự đoán, và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu cảm biến.

Ví dụ, AI có thể được sử dụng để phân loại vật thể dựa trên tín hiệu phản xạ siêu âm, hoặc để dự đoán khoảng cách trong môi trường phức tạp.

6.2. Cảm Biến Siêu Âm và IoT Tạo Ra Các Hệ Thống Thông Minh Kết Nối

Kết hợp cảm biến siêu âm với IoT cho phép tạo ra các hệ thống thông minh kết nối, có khả năng thu thập, xử lý, và chia sẻ dữ liệu từ xa. Ví dụ, hệ thống đo mức chất lỏng bằng cảm biến siêu âm có thể được kết nối với Internet để người dùng có thể theo dõi mức chất lỏng từ bất kỳ đâu.

Các ứng dụng khác bao gồm hệ thống giám sát đỗ xe, hệ thống phát hiện vật cản trong nhà máy, và nhiều ứng dụng khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về cảm biến và Arduino 1 1.1 Sóng siêu âm 1 1.2 Cảm biến siêu âm 2 1.3 Cảm biến siêu âm SRF10 6 Giới thiệu Arduino 10 1. Giới thiệu Arduino 11 1.1 Một số KIT tiêu biểu 12 a. Kit Arduino Uno R3 b.

Cấu tạo LCD 1602A 20 Chương 2. Thiết kế hệ thống đo dùng cảm biến siêu âm 27 2. Thiết kế hệ thống thu phát siêu âm đo khoảng cách 2.2 Thiết kế phần cāng giao tiếp cảm biến và Kit Arduino 27 2. Khối hiển thị 28 2.

Thiết kế khối cảnh báo 30 2. Lưu đồ thuật toán 32 Kết luận 34 Lßi cảm ơn 35 Phā lāc 36 Tài liệu tham khảo 39 8 Ch°¡ng 1. Tổng quan và cÁm biÁn và Arduino 1.2 Sóng siêu âm. a) Định nghĩa: Sóng siêu âm là những sóng cơ học có tần số lớn hơn 20Khz.

Bái vậy nó nằm ngoài khoảng âm thanh mà tai ta có thể nghe đưÿc. Một số loài vật như ong, dơi có thể cảm nhận đưÿc sóng siêu âm. b) Tính chất: Sóng siêu âm là sóng dọc: tāc là giao động cùng chiều với chiều lan truyền sóng. Siêu âm chỉ truyền trong môi trưßng giãn ná (trừ chân không).

Sóng âm tạo nên một sāc ép làm thay đổi áp lực môi trưßng. Tại một vị trí nào đó trong môi trưßng, á nửa chu kỳ đầu cÿa sóng áp lực tại đó tăng, trong nửa chu kỳ sau lại giảm gây ra hiệu āng cơ học cÿa siêu âm. Sự chênh lệch áp suất giữa hai pha này là rất lớn, và tỷ lệ với tần số siêu âm. Nước và tổ chāc cơ thể chịu sự biến thiên áp suất dễ bị phá huỷ á pha giãn ná, gây nên hiệu āng tạo lỗ.

Tốc độ lan truyền cÿa siêu âm phā thuộc vào bản chất và nhiệt độ môi trưßng truyền âm, không phā thuộc vào tần số. Tốc độ truyền âm trong không khí là rất thấp khoảng 342m/s, trong cơ thể khoảng 1540m/s. Năng lượng siêu âm: là động năng dao động và thế năng đàn hồi cÿa các phần tử trong môi trưßng, đưÿc tính theo công thāc sau: (1) e: năng lưÿng siêu âm; r: mật độ môi trưßng; =2πf; f: tần số siêu âm; a: biên độ siêu âm. Cường độ siêu âm: là năng lưÿng siêu âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng: 9 (2) I: cưßng độ siêu âm (W/cm2); v: vận tốc truyền âm.

Như vậy cưßng độ siêu âm tỷ lệ thuận với bình phương cÿa tần số và bình phương cÿa biên độ sóng. c) Ąng dāng căa sóng siêu âm trong cußc sßng Sóng siêu âm đang đưÿc āng dāng trong nhiều ngành nghề khác nhau nhưng các nhà nghiên cāu cho rằng, giới hạn āng dāng cÿa chúng vẫn có thể tiếp tāc má rộng. Sử dāng sóng siêu âm đuổi chußt, diát côn trùng Như đã đề cập á trên, siêu âm là loại sóng có tần số cao hơn những gì tai ngưßi có thể nghe thấy, nhưng các loài xâm nhập có thể phát hiện ra chúng. Chính vì vậy, sóng siêu âm đã đưÿc sử dāng để xua đuổi chuột và các loài côn trùng gây hại như muỗi, gián,… Máy đuổi chuột là những thiết bị nhỏ phát ra sóng âm tần số cao mà loài động vật này không hề thích thú.

Khi thiết bị hoạt động, sự xuất hiện cÿa siêu âm giống như chiếc khoan lớn với âm thanh chói tai, khó có thể dung hoà, khiến chúng khiếp sÿ và phải bỏ đi. Ąng dāng căa sóng siêu âm trong y hác Āng dāng sóng siêu âm trong y học đóng vai trò quan trọng, chúng đưÿc āng dāng chÿ yếu trong hoạt động siêu âm, thăm khám cho ngưßi bệnh đưÿc gọi là <siêu âm chẩn đoán=.2 CÁm biÁn siêu âm. a) Khái niệm: Cảm biến siêu âm là thiết bị điện tử đưÿc dùng để xác định vị trí cÿa các vật thông qua phát sóng siêu âm. 10 b) Cấu tạo: Cảm biến thu phát siêu âm chÿ yếu xây dựng trên tinh thể áp điện (Pieozoelectric).

Với các nguồn thu phát siêu âm công suất thưßng sử dāng kim loại giảo (magnetostrictive) hoặc gốm áp từ. Thạch cao là tinh thể áp điện thông dāng nhất. Trong quá trình gia công vật liệu, tinh thể áp điện đưÿc hình thành với các lưỡng cực điện phân tử có định hướng trước (hình 1.3 - Bản áp điện thu Bản áp khi chưa Bản áp điện má nhỏ kích thước kích thích rộng kích thước Bộ cảm biến điện có thể mắc trong mạch kiểu cộng hưáng hoặc có thể kích thích phát siêu âm bằng tín hiệu sin á tần số thích hÿp. Việc kích thích bằng xung vuông góc cũng có tác dāng tương tự như sóng sin.

Xung kích thích tác dāng vào cảm biến áp điện sẽ sắp xếp thẳng hàng các lưỡng cực điện phân tử dẫn đến làm dao động độ rộng cÿa tinh thể. Các hình trên mô tả phản āng cÿa cảm biến với các xung kích thích : cảm biến bị thu hẹp (hình 2) khi các lưỡng cực phân tử sắp xếp theo chiều dọc, còn trên hình 3 cảm biến má rộng khi các lưỡng cực phân tử sắp xếp theo chiều ngang. Dao động cơ học này đưÿc truyền ra môi trưßng xung quanh như sóng áp suất siêu âm. Khi tần số kích thích bằng tần số dao đông riêng, hiệu suất phát sóng siêu âm là cực đại.

11 Ngưÿc lại, khi có áp suất đặt vào giữa hai mặt cÿa cảm biến và hình thành thế ra, cảm biến điện hoạt động như một bộ thu siêu âm (giống như loa nhỏ có thể làm loa hoặc micro). c) Nguyên lý xác định khoảng cách của cảm biến siêu âm Sóng siêu âm đưÿc truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu 1 cảm biến phát ra các sóng siêu âm và thu về các phản xạ đồng thßi, đo đưÿc khoảng thßi gian từ lúc phát đi tới lúc thi về thì bộ xử lý có thể tính đưÿc quãng đưßng mà sóng đẫ di chuyển trong không gian. Quãng đưßng di chuyển cÿa sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát cÿa sóng siêu âm.

Hay khoảng cách sẽ đưÿc tính theo nguyên lý TOF(time of flight) Nguyên lý TOF: là nguyên lý đo khoảng cách bằng thßi gian chuyền cÿa sóng phương pháp này đưÿc đặc biệt āng dāng với các thiết bị sử dāng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển cÿa sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và ngưßi ta có thể đo đưÿc khoảng cách với sai số tương đối nhỏ. Khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật đưÿc tính bằng vận tốc cÿa sóng trong môi trưßng tương āng nhân với 1 nửa thßi gian truyền cÿa sóng. d: khoảng cách từ cảm biến tới chướng (3) ngại vật. V: vân tốc cÿa sóng; t: thßi gian truyền cÿa sóng.

Một ví dā về hoạt động cÿa cảm biến siêu âm đưa ra trên hình 1. Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig. Sau đó, cảm biến siêu âm sẽ tạo ra 1 xung HIGH á chân Echo cho đến khi nhận lại đưÿc sóng phản xạ á pin này. Chiều rộng cÿa xung sẽ bằng với thßi gian sóng siêu âm đưÿc phát từ cảm biến và quay trá lại.

12 Tốc độ cÿa âm thanh trong không khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)). Khi đã tính đưÿc thßi gian, ta sẽ chia cho 29,412 để nhận đưÿc khoảng cách. CÁm biÁn siêu âm càng xa thì càng bắt không chính xác, vì góc quét cÿa cảm biến sẽ má rộng dần theo hình nón, ngoài ra bề mặt xiên hay xù xì cũng làm giảm độ chính xác cÿa cảm biến, thông số kỹ thuật ghi á dưới đây là cÿa nhà sản xuất test trong điều khiện lý tưáng, còn thực tế thì tùy theo môi trưßng làm việc cÿa cảm biến. Cảm biến SRF05 d) Một số loại cảm biến siêu âm thường dùng.

SRF05 Điện áp 5v Dòng thấp 4mA Tần số 40Khz Phạm vi hoạt động 1cm-4m Hình 1. Cảm biến SRF05 Kích thước 43mm x 20mm x 17mm SRF10 Điện áp 5v 13 Dòng 15mA Tần số 40Khz Phạm vi hoạt động 6cm-6m Đầu nối Bus tiêu chuẩn I2C Kích thước 32mm x 15mm x 10mm Hình 1. Cảm biến SRF10 SRF235 Điện áp 5v Dòng 25mA Tần số 235Khz Phạm vi hoạt Hình 1. Cảm động 10cm-1.2m biến SRF235 Đầu nối Bus tiêu chuẩn I2C Kích thước 34mm x 20mm x 19mm 1.3 CÁm biÁn siêu âm SRF10 1.1 Giao tiÁp Giao tiếp với cảm biến này qua bus I2C.

Điều này khả dāng trên những mạch điều khiển thông dāng như OOPic và stamp BS2p cũng như trong chế độ má rộng cÿa vi điều khiển. Ngưßi lập trình SRF10 xử lí giống như đối với series 24XX eeprom thưßng gặp, ngoại trừ địa chỉ I2C là khác nhau. Địa chỉ mặc định cÿa SRF10 là 0xE0. Nó có thể đưÿc thay đổi bằng cách sử dāng 1 địa chỉ nào đó trong số 16 địa chỉ sau: E0, E2, E4, E6, E8, EA, EC, EE, F0, F2, F4, F6, F8, Fa, FC, FE do đó có tới 16 cảm biến có thể đưÿc sử dāng.2 Ghép nßi Việc nối SRF10 giống như với SRF08.

Điểm <do not connect= á phía trái không nối thông. SDA và SCL mỗi đưßng có một điện trá 5V trên bus I2C. Chỉ cần 1 đôi điện trá, không cần 1 đôi cho mỗi module. Bình thưßng, chúng đưÿc xác định vị trí với bus chÿ nhanh hơn bus tớ.

SRF10 luôn là tớ, không bao giß là chÿ. Điện trá đưÿc khuyến nghị là 1,8k.3 Các thanh ghi SRF10 có 4 thanh ghi như bảng sau: Location Read Write 0 Software Revision Thanh ghi lệnh 1 Unused (reads 0x80) Max Gain Register (default 16) 2 Byte cao Range Register (default 255) 3 Byte thấp N/A Bảng 1: Các thanh ghi Chỉ vùng 0, 1, 2 là có thể ghi. 0 là thanh ghi điều khiển và đưÿc dùng để bắt đầu một phiên làm việc (đo khoảng cách). Việc đọc từ vùng 0 quay trá lại kiểm tra phần mềm SRF10.

Mặc định khoảng cách đo kéo dài 65ms, nhưng có thể thay đổi bằng cách ghi vào vùng 2. SRF10 sẽ không trả lßi trên bus I2C trong khi nó đo khoảng cách. Thanh ghi 2 và 3 là 16 bit không dấu là kết quả cÿa phép đo khoảng cách gần nhất – byte cao đầu tiên. Có nghĩa là giá trị cÿa nó phā thuộc vào lệnh sử dāng và nó có thể là inches hay cm hay us.

Giá trị bằng 0 chāng tỏ rằng không có vật nào đưÿc phát hiện. Có 3 lệnh để bắt đầu một phiên đo (80 đến 82),để trả về kết quả là inches hay cm hay us. Cũng có thể điều chỉnh cậu lệnh để thay đổi địa chỉ I2C.