BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI








ðINH THẾ HẢI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO KHOẢNG CÁCH
SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn
Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội,
trường ðại học Bách khoa Hà Nọi Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
với ñề tài: “ Thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại”.
Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TSKH Trần Hoài Linh ñã tận tình hướng dẫn và tạo
mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa cơ ñiện, Viện sau ðại học
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn
của tôi ñược hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao
ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn
thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng
viên khích lệ ñể hoàn thành luận văn này.

Hoà Bình , tháng 9 năm 2012
Tác giả
1.3.1. Vật liệu và tia hồng ngoại 11
1.3.2. Cơ sở vật lý 12
1.3.3. Một số loại cảm biến hồng ngoại 12
1.3.4. Cảm biến hồng ngoại GP2D12 13
Chương II: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH
BẰNG CẢM BIẾN ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC 18
2.1. Lý do lựa chọn giải pháp 18
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iv

2.2. Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch
chuyển 19
2.2.1. Nguyên lý phần cơ khí 20
2.2.2. Nguyên lý phần ðiện ñiều khiển 21
Chương III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH VỚI ðẦU ðO
DỊCH CHUYỂN ðƯỢC 25
3.1. Sơ ñồ khối và chức năng các khối 25
3.1.1. Sơ ñồ khối 25
3.1.2. Chức năng các khối 25
3.2. Lựa chọn và thiết kế khối Vi xử lý trung tâm 26
3.2.1. Tổng quan về vi ñiều khiển 26
3.2.2. ðánh giá các dòng vi ñiều khiển PIC 26
3.2.3. Vi ñiều khiển PIC16F886 27
3.3. Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến và ADC 33
3.3.1. Khối cảm biến 33
3.3.2. Chuyển ñổi ADC 34
3.4. Lựa chọn và thiết kế khối ñiều khiển ñộng cơ bước 38
3.4.1. ðộng cơ bước 38
3.4.2. Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước 40

4.3. Phần mềm tích hợp trên PC 69
4.3.1. Cài ñặt cáp với PC 69
4.3.3. Thao tác kết hơp Terminal với Hệ thống ño và PC 69
4.4. Các kết quả thử nghiệm 71
KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 72
1. Kêt luận 72
2. ðề nghị 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi

danh môc b¶ng

Bảng 1.1. Thông số của một số cảm biến siêu âm 11
Bảng 2.1: Giá một số cảm biến ño khoảng cách thông dụng 18
Bảng 3.1: Mô tả chức năng các chân của vi ñiều khiển PIC16F886 29
Bảng 3.2: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã 36
Bảng 3.3: Các chân và chức năng trên ñầu nối cổng loại 9 chân 45

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vii

Danh môc h×nh
Hình 1.1: Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách 7
Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm 9
Hình 1.3: Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm 9

Hình 3.11: Hình ảnh IC L293D 41
Hình 3.12: Thiết kế khối LCD 42
Hình 3.13: Nút bấm SW1 43
Hình 3.14: Nút bấm SW2 43
Hình 3.15: Nút bấm SW3 43
Hình 3.16: Khối truyền thông RS232 44
Hình 3.17. Khối nguồn 46
Hình 3.18. Khối công tắc hành trình 46
Hình 3.19. Khối còi tín hiệu 47
Hình 3.20: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị 48
Hình 3.21: Tab General trong giao diện CCS 53
Hình 3.22: Tab Communications trong giao diện CCS 54
Hình 3.23: Tab SPI and LCD trong giao diện CCS 55
Hình 3.24: Tab Timer trong giao diện CCS 55
Hình 3.25: Tab Analog trong giao diện CCS 56
Hình 3.26: Tab “Other” trong giao diện CCS 56
Hình 3.27: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57
Hình 3.28: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57
Hình 4.1. Thiết kế của mạch in mặt phía trên (a) và mặt phía dưới (b) 59
Hình 4.2. Mạch in hình thiết bị mặt trên 60
Hình 4.3. Mạch in hình thiết bị cả mặt trên và mặt dưới 60
Hình 4.5. Mạch in 3D 61
Hình 4.6. Ảnh mạch ñiện phần cứng hoàn thiện 61
Hình 4.7. Màn hình LCD 16x2 sau khi ñã kết nối với phần cứng mạch ñiện 62
Hình 4.8. Kết cấu giữa ñộng cơ bước và thanh răng 63
Hình 4.9. Kết cấu giữa thanh răng và máng trượt 63
Hình 4.10. Ảnh tổng thể thiết bị mặt trước 64
Hình 4.11. Ảnh tổng thể thiết bị mặt bên 64
Hình 4.12. Khởi ñộng Terminal 70
Hình 4.12. Chọn cổng COM và connect 70

Các nhiệm vụ ñặt ra trong luận văn
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2

2.1. Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách sử
dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng gồm:
• Mạch ñiện phần cứng
• Thiết kế cơ cấu chuyển ñộng bằng cơ khí
• Hệ thống ño có kích thước nhỏ gọn (có kích thước không lớn hơn
400 x 300 x 150 mm ,có thể cầm tay)
• Tích hợp với cơ cấu chuyển ñộng (có chiều dài không lớn hơn
750cm)
• Lưu giữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của
thiết bị ño và với máy tính
• Có các phím chức năng ñể thiết lập và ñặt lại chế ñộ ño
• Tính linh hoạt cao (có thể thay ñổi cấu hình phần cứng bằng cách
thay ñổi các cảm biến có các khoảng cách cảm nhận khác nhau
hoặc cảm biến siêu âm)
• Thiết bị và hệ thống ño sử dụng nguồn 5V
• Lưu giữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của
thiết bị và với máy tính
2.2. Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau:
• Tự ñộng kết nối thiết bị ño với máy tính
• ðồng bộ dữ liệu ño lên máy tính và lưu vào cơ sở dữ liệu
• Có thể tìm kiếm ñược các thông tin trong cơ sở dữ liệu
• Giao diện phần mềm lập trình ñơn giản, trực quan với người sử
dụng và quan sát
2.3. Tìm hiểu về các cảm biến ño khoảng cách bằng siêu âm
• FRS02: Cảm biến ño cự li từ xa bằng sóng siêu âm

10 80
cm cm
÷

 Cách ño ñọc liên tục giá trị ño với thời gian là ~38ms mỗi lần ñọc
 Dòng ON ~25mA
• GP2D15:
 Tín hiệu ra dưới dạng số Digital (0 hoặc 1)
 Tầm ño khi chế tạo cảm biến này giá trị cài ñặt khoảng cách là
24cm
 Cách ño ñọc liên tục giá trị ño với thời gian là ~38ms mỗi lần ñọc
 Dòng ON ~25mA
Khoảng cách cảm nhận của các thiết bị ño phụ thuộc vào các cảm biến, mỗi
một cảm biến có một khoảng cách cảm nhận khác nhau. Thông thường các cảm
biến hồng ngoại có một bộ phát và một bộ thu bằng hồng ngoại.
Khi bộ phát phát ánh sáng hồng ngoại gặp chướng ngại vật phản xạ ngược trở
lại bộ thu cảm nhận ñược, và khoảng cách từ cảm biến tới vật ñược tính bằng
1 2

quãng ñường ánh sáng hồng ngoại ñi từ bộ phát ñến bộ thu.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

4

– Nghiên cứu và ñề xuất giải pháp ghép ñầu ño trên cơ cấu chuyển ñộng ñiều
khiển ñược ñể mở rộng khoảng cách ño:
– Cảm biến hồng ngoại ñược tích hợp, nối cứng trên một thanh chuyển ñộng
ñược gắn một thanh răng.
– ðối tượng ñiều khiển là ñộng cơ bước, trên trục ñộng cơ có gắn bánh răng ăn
khớp với thanh răng trên cơ cấu chuyển ñộng.

ño dịch chuyển ñược) giới thiệu lý do ñể từ ñó lựa chọn một giải pháp thích hợp
trong việc thiết kế, chủ yếu là bài toán kinh tế trong việc tăng khoảng cách ño
nhưng vẫn ñảm bảo giá thành của sản phẩm thiết bị khi thiết kế. Trong quá trình
thiết kế dựa trên hai nguyên lý cơ bản là nguyên lý phần cơ khí và nguyên lý phần
ñiện, ñây là hai nguyên lý ñể phối hợp cảm biến với hệ thống dịch chuyển ñể tăng
khoảng cách ño. Trong chương II gồm các nội dung sau:
– Lý do lựa chọn giải pháp
– Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch chuyển
Chương III (Thiết kế thiết bị ño khoảng cách với ñầu ño dịch chuyển ñược)
ñưa ra sơ ñồ khối chức năng tổng thể của thiết bị dựa vào sơ ñồ khối phân tích lựa
chọn và thiết kế từng khối trong sơ ñồ. Sau khi ñã thiết kế các khối và ñi ñến thiết
kế tổng thể mạch thiết bị dựa trên các khối ñã thiết kế theo sơ ñồ các khối chức
năng. Phần cứng các khối ñã thiết kế và lựa chọn song tiếp tục phân tích ñể lựa
chọn phần mềm lập trình trên Vi xử lý và phần mềm trên PC. Trong chương IV
gồm các nội dung sau:
– Sơ ñồ khối và chức năng các khối
– Lựa chọn và thiết kế Vi xử lý
– Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến khoảng cách
– Lựa chọn và thiết kế khối dịch chuyển bằng ñộng cơ bước
– Lựa chọn và thiết kế khối hiển thị bằng màn hình LCD
– Lựa chọn và thiết kế khối phím bấm
– Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông
– Lựa chọn và thiết kế khối bộ nhớ
– Thiết kế tổng thể mạch thiết bị
– Phân tích và thiết kế phần mềm Vi xử lý
– Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC
Chương IV (Các kết quả triển khai) ñưa ra các hình ảnh của thiết bị trong quá
trình thiết kế như mạch in của thiết bị và phần cơ khí sau khi ñã tích hợp cảm biến
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


toán và một giải pháp tích hợp ñầu ño của cảm biến trên một cơ cấu dịch chuyển có
thể ñiều khiển ñược ñể tăng khoảng cách cảm nhận.
Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách

Hình 1.1: Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách
trong ñó:
d
1
- khoảng cách cảm nhận của cảm biến,
d
2
- khoảng cách xác ñịnh gián tiếp từ vị trí ñộng cơ bước (khoảng cách từ vị trí của
ñộng cơ bước tới cảm biến, cũng là vị trí từ thiết bị ño tới vị trí của cảm biến)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

8

Khoảng cách mà cảm biến xác ñịnh và trả về kết quả là khoảng cách d
1
. khi ñó
khoảng cách từ thiết bị ño tới ñối tượng ño là d
1
+d
2
. Cảm biến cảm nhận các giá trị
thay ñổi và trả về thiết bị ño, thiết bị ño ñọc các giá trị này và ñiều khiển ñộng cơ
bước, thiết bị ño và ñiều khiển sử dụng Vi ñiều khiển PIC
Khi thiết kế các hệ thống ño khoảng cách có nhiều giải pháp ño kết hợp với
các thiết bị ño như sử dụng các cảm biến sau:
– Cảm biến ñiện cảm

và có sóng siêu âm phản xạ trở lại bộ phận thu sóng ñể xác ñịnh khoảng cách từ
cảm biến tới vị trí vật cần xác ñịnh.
1.2.1. Sơ ñồ nguyên lý chung

Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm
1- Bộ biến âm 2- ðế nhựa tổng hợp 3- Phần giảm âm
4- Cáp ñiện 5- Vỏ kim loại 6- Vỏ bọc
1.2.2. Nguyên lý ño
Sóng siêu âm ñược truyền ñi trong không khí với vận tốc 343m/s. Nếu một cảm phát
hiện ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, ñồng thời ño ñược khoảng thời gian từ
lúc phát ñi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác ñịnh ñược quãng ñường mà sóng truyền
ñi trong không gian. Quãng ñường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khoảng cách từ cảm
biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của cảm biến siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm
biến tới chướng ngại vật ñược tính theo nguyên lý TOF:
2
v t
d
⋅
=Hình 1.3: Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

10

1.2.3. Tầm quét của cảm biến siêu âm
Tầm quét của cảm biến siêu âm có thể ñược mô hình hoá bởi một hình quạt

Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm


Góc
*
Số lần
vang
**
Thời gian
Ghi
chú

SRF02 I2C/
Serial
15cm 6m 45
0
Một 70ms A
SRF04 Kỹ thuật
số
3cm 3m 45
0
Một 100µs÷36msSRF05 Kỹ thuật
số
3cm 4m 45
0
Một 100µs÷36msSRF08 I2C 3cm 6m 45

– Tia hồng ngoại phát ra từ các vật và con người, trong ñó loài vật và con người
phát ra tia hồng ngoại mạnh nhất có ñộ dài bước sóng là
4
m
µ

– ðể nhận diện tia hồng ngoại người ta dùng các cảm biến Pyroelectric (hoả
ñiện). Cảm biến là các vật liệu tinh thể, sẽ tạo ra ñiện áp khi có sự thay ñổi
nhiệt ñộ ở dạng các tia hồng ngoại.
1.3.2. Cơ sở vật lý
– Sóng ánh sáng hay sóng hồng ngoại ñều là sóng ñiện từ, truyền ñi trong không
khí với vận tốc ánh sáng
– Bước sóng của hồng ngoại:
0,7
IR
m
λ µ
≥

– Bước sóng của ánh sáng khả kiến:
0,4 0,7
VL
m m
µ λ µ
≤ ≤

1.3.3. Một số loại cảm biến hồng ngoại
ðể ño khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại cũng có thể sử dụng một số các
cảm biến như GP2D02, GP2D05, GP2D12, GP2D15. Với mỗi cảm biến có một ñặc
ñiểm riêng cũng như khoảng cách cảm nhận và tín hiệu ñầu ra, ta thấy ñể ñiều khiển


Hình 1.7: Giản ñồ trạng thái của GP2D12
trong ñó: Power supply - Nguồn cung cấp,
Distance measuring operation - Khoảng cách ño hoạt ñộng
First measurement - Phép ño ñầu tiên
Second measurement - Phép ño thứ hai
n-th measurement - Các phép ño tiếp theo
Unstable output - ðầu ra thay ñổi
First output - ðầu ra ñầu tiên
Second output - ðầu ra thứ hai
n-th output - ðầu ra thứ n
– Nguyên lý hoạt ñộng:
Trong cảm biến GP2Dxx (của hãng Sharp), một phương pháp mới ñược sử
dụng ñể phát hiện vật thể ở khoảng cách xa hơn và không giảm mức ñộ ảnh hưởng
từ ánh sáng xung quanh.
Cảm biến hồng ngoại sử dụng phương pháp trắc ñịa tam giác (triangulation)
và một mảng CCD dài mỏng ñể tính toán khoảng cách và sự hiện diện của vật thể
trong vùng quan sát.
Ý tưởng cơ bản là: một xung của ñèn IR ñược phát ra bởi ñèn phát emitter. Tia
sáng này sẽ ñi trong trường quan sát hoặc là ñụng vật thể, hoặc là không ñụng vật
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

15

thể. Trong trường hợp không gặp vật thể, tia sáng sẽ không bao giờ phản hồi về và
ñọc là không có vật thể. Nếu tia sáng phản xạ lại, có vật thể, cảm biến sẽ thu và tạo
ra một phép trắc ñạc tam giác giữa 3 ñiểm, ñiểm phản xạ, ñiểm phát và ñiểm thu.

Hình 1.8: Khác góc và khác khoảng cách
trong ñó: Object – ðối tượng, Angle – Góc nhìn, Point of Reflection – ðiểm phản xạ.