Xemtailieu Tải về Thiết kế mạch điện và khảo sát đặc tính của cảm biến siêu âm hy srf05
MỞ ĐẦU Giới thiệu chung Cảm biến là các thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được( như dòng điện, điện thế, trở kháng…). Nguyên lý hoạt động của một cảm biến cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động. Cảm biến có vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người. Nhờ những thành tựu khoa học và công nghệ vật liệu các cảm biến ngày càng được thu nhỏ kích thước, cải thiện tính năng và mở rộng phạm vi ứng dụng. Cảm biến được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm,ô tô, trò chơi điện tử… 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Cảm biến khoảng cách có nhiều loại khác nhau như cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, cảm biến laser,…có những phương pháp đo và độ chính xác khác nhau. Cảm biến phát ra đi một tín hiệu và thu về tín hiệu tương ứng; đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì vi điều khiển có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Việc sử dụng cảm biến để đo khoảng cách đang là hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam. Đề tài này sẽ cung cấp một cách nhìn trực quan về khả năng đo đạc và độ chính xác của cảm biến siêu âm HY-SRF05 tạo tiền đề cho việc ứng dụng cảm biến vào khoa học – kỹ thuật, đời sống, sản xuất,… 2. Mục đích của đề tài Từ số liệu thực nghiệm thu được, tiến hành thiết kế mạch đo và khảo sát đặc tính của cảm biến HY-SRF05 để đánh giá khả năng hoạt động và những đặc tính của cảm biến. 3. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến đo khoảng cách HY-SRF05. - Tìm hiểu sơ đồ thuật toán và vi điều khiển 16F877A tương thích với cảm biến HY-SRF05. - Thiết kế mạch điện tử kết nối cảm biến, vi điều khiển. 6 - Khảo sát các đặc tính của cảm biến HY-SRF05 trên mạch điện tử vừa lắp đặt. 4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Kiến thức về kỹ thuật số, vi điều khiển; lập trình pic C; thiết kế và chế tạo mạch điện tử; lý thuyết môn Phương pháp thực nghiệm vật lý; cách sử dụng phần mềm hỗ trợ Proteus và Origin. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này là phương pháp thực nghiệm khoa học tiến hành chế tạo mạch điện tử và khảo sát các đặc tính của cảm biến trên mạch điện tử vừa chế tạo. 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Cảm biến HY-SRF05 1.1.1. Giới thiệu cảm biến siêu âm HY-SRF05: SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, đựoc thiết kế làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi hoạt dộng và giảm chi phí. Khoảng cách được tăng lên từ 3 mét đến 4 mét. Thêm một chế độ hoạt động mới (chân chọn chế độ nối đất) cho phép SRF05 sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi giúp tiết kiệm chân cho bộ điều khiển. Khi chân chế độ được ngắt kết nối, SRF05 hoạt động với các chân kích hoạt và chân phản hồi riêng biệt. Hình 1.1. Cảm biến siêu âm HY-SRF05. 1.1.2. Thông số kĩ thuật: Bảng 1.1. Thông số kĩ thuật cảm biến HY-SRF05. Điện áp 5V Dòng thấp 4mA Tần số 40KHz Phạm vi hoạt động 3cm - 4m Đầu vào kích khởi 10uS Xung va đập Mức tín hiệu dương, bề rộng đối xứng 43x20x17 (mm) Điều khiển tự động Không định kích cỡ hoạt động, tự xử lí, hoạt động nhanh Tgian hoạt động Thời gian hồi đáp, đưa tín hiệu điều khiển 8 1.1.3. Chế độ hoạt động Cảm biến siêu âm HY-SRF05 có hai chức năng là phát analog và phát số. Trong đề tài này sử dụng chức năng phát số với chân kích hoạt (Trig) và chân phản hồi (Echo) riêng biệt. Để sử dụng chế độ này, chỉ việc ngắt kết nối chân mode vì HY- SRF05 có một điện trở nội (pull-up resistor) ở chân này. Hình 1.2. Sơ đồ chân cảm biến HY-SRF05. 1.1.4. Chức năng các chân - Echo Output: chân đầu ra tín hiệu phản hồi về từ cảm biên. - Triger Output: chân đầu vào kích hoạt. - Mode: chân chế độ (không được kết nối ở chế độ một). - Bộ năm chân còn lại được sử dụng để nạo chương trình một lần trong quá trình sản xuất và không kết nối ngoại vi trong quá trình sử dụng. 1.1.5. Tính toán và xác định khoảng cách Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc được xác định bằng công thức: = v v0 1 + α t . (1) Với α = 1 độ-1 ; v0 = 332 m/s. 273 Nhưng công thức này cũng chỉ mang tính tương đối chính xác, để đơn giản cho việc tính toán chọn vận tốc truyền âm trong không khí là 343 m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát ra tới lúc thu về thì quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian hoàn toàn có thể xác định được. Quãng đường di chuyển của sóng bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật theo hướng phát của sóng siêu 9 âm.Khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý Time of flight (TOF): d= v.t . (2) 2 Hình 1.3: Nguyên lý TOF. Trong đó: d - khoảng cách cần đo. v - vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền song. t - thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại. 1.1.6. Sai số và những hiện tượng cần hiệu chỉnh cho cảm biến 1.1.6.1 Sai số lặp Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường nào, trong đó có cả cảm biến siêu âm. Nhà sản xuất không thông báo về % sai số lặp của cảm biến HY-SRF05 đó là một điều bất lợi nên việc chuẩn hóa kết quả đo bằng Origin là điều tất yếu phải làm. 1.1.6.2. Hiện tượng forecasting Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến. Do nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc với bề mặt chướng ngại vật cần đo. Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới. Các chùm tia phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn. Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó, cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này. Kết quả, thông số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn. 10 Hình 1.4. Hiện tượng forecasting. 1.1.6.3. Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) của cảm biến Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến. Hình 1.5. Hiện tượng Crosstalk 1.2. VI ĐIỀU KHIỂN 1.2.1. Khái niệm vi điều khiển Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển thực chất là một hệ thống bao gồm một vi điều khiển có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi điều khiển đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang dạng tương tự... 11 Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v. Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết là lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thông thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi ở môi trường bên ngoài. Tất cả chúng được thiết kế trong một vi mạch tích hợp. Vi điều khiển khác với các bộ vi điều khiển đa năng ở chỗ nó có thể hoạt động chỉ với vài vi mạch hỗ trợ bên ngoài [1]. 1.2.2. Giới thiệu vi điều khiển 16F877A Vi điều khiển được sử dụng trong bài luận văn này là PIC16F877A. PIC16F877A có độ dài lệnh là 14 bit, chữ F cho biết vi điều khiển là EEPROM, chữ BỘ XỬ LÍ TRUNG TÂM Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ dữ liệu A cuối cho biết PIC có bộ nhớ flash. PIC16F877A được thiết kế theo kiến trúc Havard, CPU có thể cùng một lúc truy xuất cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, giúp tăng tốc xử lí của vi điều khiển lên gấp đôi [2, tr12]. Hình 1.6. Kiến trúc Harvard. PIC16F877A sử dụng tập lệnh RISC bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, và các hằng số, hoặc các vị trí ô nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, nhảy, gọi hàm và các lệnh quay trở về, cùng các chức năng khác như ngắt hoặc sleep. 12 1.2.3. Sơ đồ chân Hình 1.7. Vi điều khiển PIC16F877A Hình 1.8. Sơ đồ chân PIC 16F877A. Trong sơ đồ chân của vi điều khiển PIC 16F877A chân 11, 32 được nối với nguồn DC 5V; chân 12, 31 nối đất; chân 13, 14 nhận xung clock từ thạch anh; tín hiệu reset sẽ được truyền đến PIC 16F877A qua chân số 1; 33 chân còn lại dùng kết nối với các modul của vi điểu khiển [4, tr.2-3]. PIC16F877A với tập lệnh RISC gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200 ns. Bộ nhớ chương trình 8k × 14 bits, bộ nhớ dữ liệu 368 bytes RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256 bytes. Số PORT I/O là 5 với 33 chân I/O (bảng 1.1) [4, tr.5-20]. Bảng 1.2. Các đặc tính nổi bật vi điều khiển PIC 16F877A. SST 1 2 3 4 1 2 Đặc điểm Điệp áp hoạt động Công nghệ CMOS FLASH /EEPROM nguồn mức thấp, tốc độ cao. Dải điện thế hoạt động rộng : 2,0V đến 5,5V. Nguồn sử dụng hiện tại 25 mA. Công suất tiêu thụ thấp. Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần. Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần, dữ liệu lưu trữ trên 40 năm. 13 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 1 2 1 2 3 Bộ nhớ dữ liệu 368 bytes, 4 banks. Tất cả các câu lệnh thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ một số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh. Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân. Chức năng bảo mật mã chương trình. Chế độ Sleep. Bộ định thời và CCP Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep. Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler. Watchdog Timer với bộ dao động trong. Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung. Analoge 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Hai bộ so sánh. Chuẩn giao tiếp Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C. Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ. Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài [2,tr18]. 1.2.4. Các modul vi điều khiển căn bản a. Cổng xuất nhập I/O Cổng xuất nhập (I/O port) là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với thế giới bên ngoài. Một số chân xuất nhập còn có thêm các chức năng khác để thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại vi với bên ngoài [2]. Bảng 1.3. I/O vi điều khiển PIC 16F877A. STT 1 2 3 4 5 CỔNG Cổng A Cổng B Cổng C Cổng D Cổng E SỐ CHÂN 6 chân: RA0, RA1.. RA5 8 chân: RB0, RB1,..RB7 8 chân: RC0, RC1, ..RC7 8 chân: RD0, RD1,..RD7 3 chân: RE0, RE1, RE2 14 THANH GHI SFR PORTA, TRISA PORTB, TRISB PORTC, TRISC PORTD, TRISD PORTE, TRISE Thanh ghi ghi TRIS phản ánh chức năng chân (input là 1 và output là 0) để ghi giá trị vào các bít tương ứng trên thanh ghi. Thanh ghi PORT phản ánh trạng thái (điện thế) của các chân (điện thế cao là 1 và điện thế thấp là 0) như thế nào ta đưa giá trị vào các bit tương ứng trên thanh ghi. Ngoài ra thanh ghi PORTB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình [2,tr20]. b. Timer Trong ứng dụng này, Timer hoạt động như một bộ đếm (Counter), có nhiệm vụ đếm số các xung đi vào một chân cụ thể trên vi điều khiển [4, tr.53-63]. Bảng 1.4. Timer vi điều khiển PIC 16F877A. STT 1 Đặc điểm 8 bit (số đếm tối đa của nó là 255), hoạt động ở 2 chế độ định thời và độ đếm Thanh ghi SFR Timer0 Chức năng TMR0 (01h, 101h) Chứa giá trị đếm của Timer0 INTCON (0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh) Cho phép ngắt hoạt động (GIE và PEIE) Điều khiển Prescaler OPTION_REG (81h, 181h) 2 Timer1 16 bit (số đếm tối đa của nó là 65535), hoạt động ở 2 chế độ định thời và độ đếm INTCON (0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh) Cho phép ngắt hoạt động (GIE và PEIE) PIR1 (0Ch) Chứa cờ ngắt Timer1 (TMR1IF) PIE1 (8Ch) Cho phép ngắt Timer1 (TMR1IE) TMR1L (0Eh) Chứa giá trị 8 bit thấp của bộ đếm Timer1 TMR1H (0Eh) Chứa giá trị 8 bit cao của bộ đếm Timer1 T1CON (10h) Xác lập các thông số cho Timer1 3 Timer2 8 bit, hoạt động phục vụ chức năng PWM - Pulse INTCON (0Bh, Bh, Cho phép toàn bộ các ngắt (GIE và PEIE) 10Bh, 18Bh) Chứa cờ ngắt Timer2 (TMR2IF) PIR1 (0Ch) 15 Width Modulation PIE1 (8Ch) Chứa bit (TMR2IE) điều TMR2 (11h) Chứa giá trị đếm của Timer2 T2CON (12h) Xác lập các thông số cho Timer2 [2,tr21]. khiển Timer2 c. Ngắt Ngắt là làm gián đoạn quá trình của một sự kiện đang xảy ra [4, tr.5-24]. Bảng 1.5. Ngắt vi điều khiển PIC 16F877A. STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tên ngắt Ngắt ngoài Ngắt trạng thái Ngắt tràn Timer0 Ngắt tràn Timer1 Ngắt tràn Timer2 Ngắt chuyển đổi analoge - digital Bộ đệm chuyển RS232 trống Dữ liệu nhập từ RS232 sẵn sàng Có capture hay compare trên CCP1 Có capture hay compare trên CCP2 Có dữ liệu vào cổng parallel salve Có hoạt động SPI hay I2C Xung đột bus Ghi vào eeprom hoàn tất Kiểm tra bằng nhau comparator Bit điều khiển GIE, INTF, INTE GIE, RBIF, RBIE GIE, TMR0IF, TMR0IE GIE, TMR1IF, TMR1IE, PEIE GIE, TMR2IF, TMR2IE, PEIE GIE, ADIF, ADIE, PEIE GIE, TXIF, TXIE, PEIE GIE, RCIF, RCIE, PEIE GIE, CCP1F, CCP1IE, PEIE GIE, CCP2F, CCP2IE, PEIE GIE, PSPIF, PSPIE, PEIE GIE, SSPIF, SSPIE, PEIE GIE, BCLIF, BCLIE, PEIE GIE, EEIF, EEIE, PEIE GIE, CMIF, CMIE, PEIE [2,tr24]. PIC16F877A có 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi INTCON (bit GIE), mỗi ngắt đều có một bit điều khiển và cờ ngắt riêng. Lệnh RETFIE được dùng để thoát khỏi chương trình ngắt và trở về chương trình chính, đồng thời bit GIE cũng sẽ được gán để cho phép các ngắt hoạt động trở lại [2,tr24]. d. Giao tiếp USART USART - Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter được sử dụng để giao tiếp với các thiết bị ngọai vi, với các vi điều khiển khác hay với máy tính. Các dạng của giao diện USART ngoại vi bao gồm: - Bất động bộ (Asynchronous); Đồng bộ (Master mode); Đồng bộ (Slave mode). 16 Hai pin dùng cho giao diện này là RC6/TX/CK và RC7/RX/DT. Ở chế độ bất đồng bộ, RC6 đóng vai trò là chân truyền dữ liệu và RC7 là chân nhận dữ liệu. Ở chế độ đồng bộ, RC6 đóng vai trò là chân truyền xung clock đồng bộ tín hiệu và RC7 là chân truyền dữ liệu [4, tr.111-193]. 1.2.5. Ngôn ngữ lập trình C++ Ngôn ngữ lập trình sử dụng cho PIC16F877A này là C++ vì: - C++ kế thừa tất cả đặc điểm của ngôn ngữ cơ bản C, - C++ đã được xây dựng sẵn hệ thống thư viện và các hàm phục vụ cho việc sử dụng các khối chức năng đặc biệt của vi điều khiển PIC, - C++ có khả năng kết hợp với ngôn ngữ hợp ngữ, - Khả năng phát triển, nâng cấp ứng dụng là dễ dàng, - Nhiều tính năng ưu việt được cập nhật giúp làm việc hiệu quả hơn. 1.3. MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÓ LIÊN QUAN. 1.3.1. LCD hiển thị Trong đề tài này sử dụng LCD 16x2 để hiển thị số liệu khoảng cách vì nó khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), được giao tiếp với vi điều khiển 16F877A. 1.3.1.1. Các chân cơ bản của LCD Hình 1.9. LCD 16×2. Hình 1.10. Sơ đồ chân LCD 16×2. Bảng 1.6. Sơ đồ chân LCD. CHÂN KÝ HIỆU I/O MÔ TẢ 1 VSS - Chân nối đất 2 VCC - Chân cấp nguồn 5V cho LCD 3 VEE - Điều chỉnh độ tương phản 17 4 RS I RS = 0: ghi dữ liệu, RS = 1: ghi lệnh 5 R/W I R/W = 1: đọc dữ liệu, R/W = 0: ghi dữ liệu 6 E I/O Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E. + Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E. + Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (lowto-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp. 7 DB0 I/O Bit dữ liệu 8 DB1 I/O Bit dữ liệu 9 DB2 I/O Bit dữ liệu 10 DB3 I/O Bit dữ liệu 11 DB4 I/O Bit dữ liệu 12 DB5 I/O Bit dữ liệu 13 DB6 I/O Bit dữ liệu 14 DB7 I/O Bit dữ liệu 15 A - Nguồn dương cho đèn nền 16 K - GND cho đèn nền 1.3.1.2. Nguyên lí hoạt động. Các chân 1,2,3 ứng với các chân VSS, VDD, VEE trong đó VSS chân nối đất,VEE chân chọn độ tương phản, chân này được điều chỉnh qua một biến trở. Chân VDD nối dương nguồn.Chân chọn thanh ghi RS - Register Select: Có hai 18 thanh ghi trong LCD, chân RS - Register Select được dùng để chọn thanh ghi, như sau: RS = 0: LCD ở chế độ ghi lệnh như xóa màn hình, bật tắt con trỏ. RS = 1: LCD ở chế độ ghi dữ liệu như hiển thị ký tự, chữ số lên màn hình. Chân đọc/ghi (R/W): Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin LCD khi R/W = 1. Chân cho phép E (Enable): Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt dữ liệu của nó. Khi dữ liệu được đến chân dữ liệu thì cần có 1 xung từ mức cao xuống mức thấp ở chân này để LCD chốt dữ liệu, xung này phải có độ rộng tối thiểu 450 ns. Chân D0 – D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD [2, trang 33]. 1.3.2. Mạch nạp PICKit 2 Hình 1.11. Mạch nạp PICKit 2 Mạch nạp được sử dụng trong đề tài này là PICKit 2 Programmer/ Debugger là một công cụ phát triển giá rẻ nhưng tính năng và độ ổn định cao, dễ dàng nạp và gỡ lỗi PIC Microcontrollers Flash.Có khả năng tự cập nhật Firmware khi có phiên bản mới. 1.3.3. IC nguồn 7805 19 Hình 1.12. IC nguồn 7805 IC nguồn 7805 có tác dụng nắn dòng điện 1 chiều ban đầu có điện áp từ 6 đến 18 thành dòng 5V và có cường độ dòng điện cực đại. Chân Input nhận điện áp vào. Chân GND là chân nối đất. Chân Output cho điện áp đầu ra 5V. 1.3.4. Thạch anh 20 000 Hz Hình 1.13. thạch anh 20 MHz Thạch anh 20 MHz có tần số ổn định vì ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là các mạch dao động RC. Trong vi điều khiển bắt buộc phải có thạch anh vì các mạch logic muốn hoạt động cần có xung clock, còn timer thì gồm các dãy FF cũng cần phải có xung để đếm, với mỗi xung clock vi điều khiển sẽ thực thi một lệnh. 20 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẢM BIẾN. 2.1. Cấu tạo 2.1.1. Khối nguồn Hình 2.1. Khối nguồn Mạch nguồn được nối với điện áp xoay chiều có điện áp hiệu dụng là 6V, cường độ dòng điện hiệu dụng là 1 Ampe. Dòng điện đi qua diode D1 trở thành dòng điện 1 chiều. Tụ C2 và C1 có nhiệm vụ làm phẳng điện áp đầu vào trước khi vào chân VI( điện áp đầu vào) của IC ổn áp (IC 7805). IC ổn áp 7805 có nhiệm vụ ổn định điện áp đầu ra 5V và có dòng cực đại là 1A. Tụ C3 có nhiệm vụ lọc điện áp đầu ra của IC 7805. Chân VO (điện áp đầu ra) của IC 7805 nối với đèn led D11 để kiểm tloc5hoat5 động của khối nguồn. 2.1.2. Khối vi điều khiển Hình 2.2. Khối vi điều khiển. 21 Khối vi điều khiển nhận điện áp 5V từ khối nguồn ở các chân 11 và 32, chân 12 và 31 nối đất. Chân có chức năng reset mạch khi nút K5 được nhấn. Thạch anh truyền xung tần số 20MHz vào vi điều khiển thông qua chân 13 và 14. Chân 17 của port C và chân 19, 21 của port D nối với cảm biến HY SRF-05 lần lượt là Echo, Trig, Mode. Chân 33 đến 38 của port B được nối với 6 chân của khối hiển thị LCD 16x2. Khi sử dụng vi điều khiển Pic 16F877A cần lưu ý: - Khi tháo hoặc gắn chip vào mạch phải đảm bảo các chân song song để tránh gãy chân của chip. - Tránh tiếp xúc với độ ẩm cao. - Tránh để nhiệt độ quá cao. - Không nên để chip hoạt động liên tục quá lâu dễ gây cháy. 2.1.3. Khối giao tiếp cảm biến HY SRF-05 Hình 2.3. Khối giao tiếp cảm biến SRF-05. - Triger Output: chân đầu vào kích hoạt được nối vào chân số 19 của vi điều khiển. - Echo Output: chân đầu ra tín hiệu phản hồi về từ cảm biến được nối vào chân số 17 của vi điều khiển. Để HY-SRF05 hoạt động cần một xung có độ rộng ít nhất là 10uS kích hoạt lên chân TRI. Sau đó chờ phản hồi, tính hiệu phản hồi trở về từ chân Echo là một xung có độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Bằng cách đo độ rộng xung, có thể tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản. Nếu không phát hiện vật thể thì SRF05 sẽ kéo dòng phản hồi xuống mức thấp sau 30mS. 2.1.4. Khối hiển thị (khối LCD 16x2) 22 Hình 2.4. Khối hiển thị Chân 2 và 15 nhận điện áp cao 5V, chân 1 và 16 được nối với mặt đất. Chân 3 được nối với biến trở, chân 5 nối đất. Chân 4 và 6 lần lượt được nối với chân 38 và 37 của vi điều khiển. Chân 7, 8, 9, 10 được bỏ trống. Chân 11, 12, 13, 14 lần lượt được nối với các chân RB0, RB1, RB2, RB3 của vi điều khiển sẽ hoạt động ở chế độ 4bit để hiển thị dữ liệu lên trên màn hình LCD. 2.2. Nguyên lý hoạt động 2.2.1. Giải thuật Không nhận được sóng phản hồi sau 30ms Bắt đầu Phát sóng âm (Xung có độ rộng 10us) Trig Nhận sóng phản hồi Echo Kích hoạt timer Đo thời gian Dừng timer Xác định khoảng cách bằng hàm f(t) Hình 2.5. Sơ đồ giải thuật đo khoảng cách 2.2.2. Nguyên lý hoạt động SRF05 sẽ phát ra một tín hiệu siêu âm sau một khoảng thời gian ngắn timer01 bắt đầu đếm thời gian. Sau một khoảng thời gian ngắn khi cảm biến HY-SRF05 nhận được tín hiệu phản hồi từ chân Echo thì timer01 sẽ dừng đếm thời gian. Độ rộng xung đo được từ timer01 tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Bằng cách đo độ rộng xung, có thể tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản. Nếu 23 không phát hiện vật thể thì SRF05 sẽ kéo dòng phản hồi xuống mức thấp sau 30mS và tiếp tục chu kỳ mới. Hình 2.6. Xung trên chân TRIG và ECHO Từ số liệu độ rộng xung thu nhận được trên chân ECHO nhưng thực tế thì ta phải tiến hành đo và chuẩn hóa để xác định hàm truyền của cảm biến bằng phần mềm Origin. 2.3. Quá trình gia công và lắp mạch 1. Mô phỏng Proteus 2. Thiết kế mạch in 3. Gia công 4. Hàn linh kiện Hình 2.7. Các bước thi công và lắp mạch 2.3.1. Mô phỏng Proteus Proteus VSM (Virtual Simulation Machine) của Labcenter Electronics là phần mềm mô phỏng mạch điện với nhiều ưu điểm nổi trội như: mô phỏng được nhiều linh kiện điện tử và các thiết bị hiển thị một cách trực quan, ngoài ra Proteus có khả năng mô phỏng các chip vi điều khiển với chương trình do người dùng nạp. Proteus hỗ trợ rất nhiều các chip vi điều khiển và thường được dùng để kiểm tra chương trình trước khi nạp vào mạch. Hình 2.3.1 được thực hiện bằng Schematic Capture trong Proteus mô phỏng 24 các khối của mạch đo khoảng cách. Hình 2.8. Các khối mạch điện 2.3.2. Thiết kế mạch in Trong Proteus nhấn ARES để chuyển sang trình thiết kế mạch in PCB layout. Bố trí lại vị trí linh kiện: Chọn “Component Mode” sau đó sắp đặt từng linh kiện cho hợp lý. Hình 2.9. Sơ đồ Layout các khối mạch điện 2.3.3. Gia công mạch in Gia công mạch in thủ gồm các công đoạn sau: + Bước 1: vẽ mạch. + Bước 2: in mạch ra giấy (giấy thuốc, giấy decal hay giấy thủ công). + Bước 3: đo kích thước bo đồng và cắt bo. + Bước 4: ủi bo, vặn nhiệt độ bàn ủi tối đa, chú ý miết đều các mép. + Bước 5: làm sạch phần giấy bám trên mạch bằng cách ngâm nước lạnh. + Bước 6: dùng bột sắt (thuốc rửa mạch điện) pha nước để tiến hành ngâm mạch, ngâm xong rửa mạch với nước sạch. + Bước 7: khoan lỗ. Tiến hành tuần tự các bước hàn sau: + Bước 1: hàn jumper (cầu nối). 25 Tải về bản full