LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải nói chung và các thầy cô giáo trong khoa cơ khí,
bộ môn kỹ thuật máy nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến
thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Giang, thầy đã tận tình
giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp
này.Trong thời gian làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến
thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học
nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và
công tác sau này.
Đồng thời xin chân thành cảm ơn anh (chị) trên diễn đàn codientu.org,
picvietnam.com đã giúp em hiểu rõ hơn về các loại cảm biến, vi điều khiển.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng
góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt
nghiệp này.

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2013

II


TÓM TẮT
Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ cho phép con người tạo ra
những sản phẩm, hay các trang thiết bị cần thiết cho cuộc sống, việc tạo ra được thiết
bị đo kích thước tự động sử dụng cảm biến siêu âm nhằm rút ngắn thời gian đo, và
tăng độ chính xác. Nội dung của đề tài này tập trung tìm hiểu và nghiên cứu về sóng
siêu âm sau đó tiến tới thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị đo kích thước sử dụng cảm
biến siêu âm hỗ trợ bởi vi điều khiển. Để thực hiện đề tài, tác giả đã nghiên cứu 1 số
thiết bị đo kích thông dụng, thước kẹp, panme, đồng hồ so, máy đo UTG ME (sử dụng

1.8.Kết luận chương ....................................................................................................... 11
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH THIẾT BỊ ĐO ........................................... 12
2.1. Cơ sở vật lý của sóng âm ......................................................................................... 12
2.1.1 Khái niện ......................................................................................................... 12
2.1.2. Phân loại sóng âm ........................................................................................... 13
2.1.3. Sóng siêu âm ................................................................................................. 14
2.2. Một số tính chất cảm biến siêu âm ........................................................................... 15

IV


2.2.1. Giới thiệu chung về cảm biến siêu âm ............................................................. 15
2.2.2. Nguyên lý TOF............................................................................................... 21
2.2.3. Các sai số do nhiễu phổ biến với cảm biến siêu âm. ........................................ 23
2.3. Phương án thiết kế cho thiết bị đo kích thước .......................................................... 24
2.4.Kết luận chương ....................................................................................................... 25
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ HỆ THỐNG ĐO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐO ................................................................................................................................. 26
3.1. Thiết kế phần cơ khí của thiết bị đo ......................................................................... 26
3.1.1. Giới thiệu phần mền AUTOCAD .................................................................... 26
3.1.2. Thiết kế phần cơ khí: ...................................................................................... 27
3.2. Thiết kế phần mạch cho thiết bị đo .......................................................................... 29
3.2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................. 29
3.2.2. Giới thiệu về phần mềm OrCad....................................................................... 30
3.2.3. Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A ....................................................... 30
3.2.4. Cảm biến siêu âm Ultrasonic SFR05 ............................................................... 36
3.2.5. Điện trở .......................................................................................................... 39
3.2.6. Biến trở .......................................................................................................... 41
3.2.7. Tụ điện ........................................................................................................... 41
3.2.8. Diode.............................................................................................................. 43

Phụ lục A2 ..................................................................................................................... 70
Phụ lục B1 ..................................................................................................................... 73
Phụ lục B2 ..................................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 81

VI


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo thước cặp
Hình 1.2 Cách xác định trị giá trị đo của thước cặp
Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo của thước Panme chuyên dùng
Hình 1.4 Cấu tạo đồng hồ so
Hình 1.5 Cấu tạo máy đo UTG ME
Hình 1.6 Đưa máy đo về trạng thái sẵn sàng đo
Hình 1.7 Thời gian sóng siêu âm truyền qua vật liệu
Hình 2.1 Biên dạng của sóng âm
Hình 2.2 Dải tần số ứng dụng của sóng siêu âm
Hình 2.3 Một số loại cảm biến siêu âm
Hình 2.4 Mạch phát sóng siêu âm
Hình 2.5 Mạch chuyển đổi tín hiệu
Hình 2.6 Một số ứng dụng cảm biến siêu âm trong dây chuyền sản công nghiệp
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.8 Tầm quét của cảm biến siêu âm
Hình 2.9 Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật cản
Hình 2.10 Hiện tượng Forecasting
Hình 2.11 Hiện tượng đọc chéo
Hình 3.1 Bản vẽ phần đế
Hình 3.2 Chân đế
Hình 3.3 Khung

Hinh 4. 10 Kết cấu phần mạch
Hinh 4.11 Mô hình hoàn chỉnh của thiết bị đo

VIII


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các loại cảm biến siêu âm thông dụng
Bảng 3.1 Trị số của điện trở
Bảng 3.2 Chức năng các chân của LCD1602A
Bảng 4.1 Kết quả đo thực nghiệm

IX


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của xã hội, đặc biệt là trong các ngành kỹ
thuật. Khi mà các sản phẩm mới, những vật liệu mới, công nghệ mới liên tục ra đời.
Song song đó thì nhu cầu của con người đối với sự tiến bộ của xã hội cũng ngày càng
khắt khe hơn. Đặc biệt khi ngành công nghệ số, trí tuệ nhân tạo ra đời nó cũng len lõi
mọi lĩnh vực của xã hội, ứng dụng của vi điều khiển vào các ngành công nghệ này là
rất lớn. Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ cho phép con người tạo
ra những sản phẩm, hay các trang thiết bị cần thiết cho cuộc sống, việc tạo ra được
thiết bị đo kích thước tự động sử dụng cảm biến siêu âm nhằm rút ngắn thời gian đo,
và tăng độ chính xác.
Trong đề tài này em chỉ tìm hiểu và nghiên cứu về sóng siêu âm bằng cách dùng
vi điều khiển.
Trong quá trình làm đề tài dù đã rất cố gắng nhưng vẫn không tránh những vấn
đề sai và thiếu sót.

xác định kích thước của vật thể một cách nhanh và chính xác nhất.
Như việc ứng dụng thiết bị đo kích thước vào dây chuyền phân loại sản phẩm
,thiết bị đo sẽ phát hiện những chi tiết nào có kích thước đạt và không đạt yêu cầu rồi
gửi tín hiệu về CPU để điều khiển cơ cấu phân loại khác.
1.6. Tổng quan về thiết bị đo kích thước
1.6.1. Tìm hiểu chung về thiết bị đo kích thước
Ngày nay, hầu hết các ngành kỹ thuật luôn bao gồm kỹ thuật đo lường và điều
khiển tự động, mà trong đó các phần tử cảm biến đo lường thường đóng vai trò quan
trọng, ứng dụng điển hình là trong các dây chuyền công nghệ cơ khí chế tạo, các máy
tự động trong sản xuất, gia công gỗ, kim loại, nhựa plastics, máy móc chế biến thực
phẩm, các loại máy in và đóng gói sản phẩm, vv. ..
Sự phát triển của kỹ thuật đo lường và điều khiển hiện đại dựa trên cơ sở những
tiến bộ khoa học của nhiều ngành, lý thuyết cơ bản cũng như những tiến bộ công nghệ
trong kỹ thuật ứng dụng. Đặc biệt, tiến bộ kỹ thuật công nghệ đã đưa đến sự thống
nhất chuẩn hóa trong chế xuất các linh kiện, các phần tử tự động, các khối chức năng
module. .. Trong nhiều lĩnh vực khác nhau cũng có nhiều trường hợp sử dụng những
bộ phận, phần tử tự động chức năng như nhau. Ví dụ, các hệ cảm biến vị trí và điều
2


khiển các vật thể dịch chuyển với độ chính xác cao được ứng dụng rộng rãi trong các
ngành như giao thông vận tải, hàng hải, hàng không, cứu hộ (định vị tàu thuyền, xe
máy và máy bay, điều khiển các hệ dự phòng và truyền tải nặng. ..), cũng như trong
các ngành thông tin liên lạc viễn thông, thiên văn vũ trụ (dùng để điều chỉnh vị trí của
các anntena radio, radar, các hệ viễn vọng, thiên văn,. ..).
Nói chung, các phần tử cảm biến không hoạt động tự thân, chúng là một bộ phận
của một hệ lớn bao gồm cả các bộ chuẩn hóa tín hiệu và các mạch xử lý tín hiệu số và
tương tự khác nhau. Ví dụ, hệ thống có thể là hệ đo lường, hệ thu thập dừ liệu, hay hệ
điều khiển quá trình công nghệ. Việc áp dụng các loại cảm biến vào đo lường cho
phép rút ngắn thời gian đo, làm tăng độ chính xác. Điển hình là dụng cụ đo kích thước

hay đo đường kính trong, đường kính ngoài của các chi tiết dạng lỗ. Có rất nhiều loại
thước tùy theo yêu cầu khoảng đo hay độ chính xác là bao nhiêu mà ta đưa ra cách
chọn cho phù hợp.
 Phân loại:
 Phân loại theo thang đo của thước:
+ Thước cặp 1/10: Đo được kích thước chính xác tới 0.1mm.
+ Thước cặp 1/20: Đo được kích thước chính xác tới 0.05mm.
+ Thước cặp 1/50: Đo được kích thước chính xác tới 0.02mm.
 Phân loại theo cấu tạo của thước: Thước cặp du xích, thước cặp đồng hồ, thước
cặp điện tử
 Phân lọai theo độ dài đo được thân thước: có thước cặp 150mm, 200mm,
250mm, 300mm, 500mm, 750mm, 1000mm
 Cấu tạo:

Hình 1.1 Cấu tạo thước cặp
 Cách đo
4


 Trước khi đo cần kiểm tra thước có chính xác không bằng cách kéo du xích về
vị trí 0 ban đầu.
 Kiểm tra bề mặt vật đo có sạch không.
 Khi đo phải giữ cho 2 mặt phẳng của thước song song với mặt phẳng cần đo.
 Muốn lấy thước ra khỏi vị trí đo thì phải vặn đai ốc hãm để cố định hàm động
với thân thước chính.
 Cách đọc trị số đo
 Khi đo xem vạch “0” của du xích ở vị trí nào của thước chính, ta đọc được
phần nguyên của kích thước ở trên thước chính.
 Xem vạch nào của du xích trùng với vạch của thước chính ta đọc được phần lẻ
của kích thước ở trên du xích.


Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo của thước Panme chuyên dùng
1 Mặt đo, 2 Trục xoay, 3 Khung, 4 Chốt khóa, 5 Thanh xoay, 6 Tay xoay
 Cách đo:
 Trước khi đo cần kiểm tra xem panme có chính xác không.
6


 Khi đo tay trái cầm panme, tay phải vặn cho đầu đo điến gần tiếp xúc với vật
đúng áp lực đo.
 Đọc trị số khi đo dựa vào mép thước động ta đọc được số “mm” và nửa “mm”
của kích thước ở trên thước chính.
 Dựa vào vạch chuẩn trên thước chính ta đọc được phần trăm “mm” trên thước
phụ.
1.7.3. Đồng hồ so
 Đặc điểm và công dụng
 Là dụng cụ đo chính xác 0.01-0.001mm. Đồng hồ điện tử còn chính xác hơn.
 Đồng hồ so dùng nhiều trong kiểm tra sai lệch hình dạng hình học như độ côn,
độ thẳng, độ song song vuông góc, độ không đồng trục.
 Đồng hồ so còn có thể kiểm tra hàng loạt bằng phương pháp so sánh.
 Phân loại: Có 2 loại đồng hồ so
 Đồng hồ so cơ học
 Đồng hồ so điện tử
 Cấu tạo:

Hình 1.4 Cấu tạo đồng hồ so

7



Hình 1.6 Đưa máy đo về trạng thái sẵn sàng đo

Đầu dò truyền sóng siêu âm vào vật liệu được đo, sóng được đi qua vật liệu phía
đối diện.Khi sóng gặp một tiết diện khác như không khí hay vật liệu khác sóng sẽ được
phản xạ lại đầu dò. Thời gian cần thiết cho sóng truyền qua vật liệu là

và

.

Như hình 1.7 thì thời gian mà sóng âm truyền qua lớp vật liệu có phủ bề mặt lớn
hơn so với vật liệu không phủ

Hình 1.7 Thời gian sóng siêu âm truyền qua vật liệu

10


Độ dày của vật liệu đo

=

(1.1)
(1.2)

Trong đó:
: Độ dày của vật liệu 1 và 2
: Thời gian từ khi sóng siêu âm được phát đi cho tới khi thu về của vật liệu 1
và 2
: Vận tốc của âm thanh (343m/s)

tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử
vật chất của môi trường truyền sóng.
Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với
sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường
truyền âm.
 Các đại lượng đặc trương của sóng:

λ=

→ c=λ.f

(2.1)

12


Hình 2.1 Biên dạng của sóng âm
Trong đó:
 Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần
giãn.
 Tần số f(Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây.
 Vận tốc c truyền của sóng siêu âm là quãng đường mà sóng âm truyền được
trong một đơn vị thời gian.
 Độ dài bước sóng λ (µm) là quảng đường mà sóng truyền được sau khoảng
thời gian bằng 1 chu kỳ, trên hình vẽ ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa
hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau.
2.1.2. Phân loại sóng âm
 Phân loại theo phương dao động: dựa vào cách truyền sóng, người ta chia
sóng cơ ra làm hai loại: sóng dọc và sóng ngang.
Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuông

siêu âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz.

Hình 2.2 Dải tần số ứng dụng của sóng siêu âm

14


2.2. Một số tính chất cảm biến siêu âm
2.2.1. Giới thiệu chung về cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí, khoảng cách của các vật
thông qua phát sóng siêu âm.
Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc
không phải kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ
số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn).
Cảm biến siên âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vật trong
khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều
kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác
nhau.
 Các loại cảm biến siêu âm thông dụng dòng SRF
Bảng 2.1 Các loại cảm biến siêu âm thông dụng
Range
Cảm

Thông

biến
SRF02
SRF04

SRF05


3 cm

3m

45 °

Một

100 μs - 36 ms

3 cm

4m

45 °

Một

100 μs - 36 ms

Kỹ thuật
số
Kỹ thuật
số

Ghi chú

A


AB

10 cm

1, 2 m 15 °

Một

10 ms

AD

SRF235 I2C

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở 1 / 2 cảm biến
**: Số vang ghi lại bởi cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây
nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau.
A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04 / 08) kích thước.
15


B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được.
C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng.
D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn.

Hình 2.3 Một số loại cảm biến siêu âm
 Cấu tạo cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính: bộ phận phát và nhận sóng, bộ phận so
sánh, mạch phát hiện, mạch hiển thị.
Cụ thể như sau: