Lời cảm ơn
Xin gửi lời cảm ơn Th.S Trần Đặng Bảo Ân, nhờ có sự hướng dẫn tận tình của
thầy em đã thực hiện được đề tài” THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ KHẢO SÁT ĐẶC
TÍNH CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM HY-SRF05”.
Cảm ơn thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang và bạn Nguyễn Tấn Phát đã giúp đỡ
trong quá trình thực hiện đề tài.
Cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Vật lý của Trường Đại học Sư Phạm Tp.Hồ Chí
Minh đã trang bị cho em những kiến thức hữu ích để hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn ba mẹ, các anh, các bạn, các thầy đã giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp
nhiều ý kiến quí báu để em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh, nhưng bước đầu làm
quen với nghiên cứu khoa học và hạn chế về kiến thức lẫn kinh nghiệm khó tránh
khỏi những thiếu sót mà bản thân chưa nhận ra được. Rất mong sự góp ý của quý
thầy cô để luận văn này ngày càng hoàn thiện.
LƯƠNG VĂN THUẬN

1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................6
Giới thiệu chung ......................................................................................................6
1.

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: .........................................................6

2.

Mục đích của đề tài ........................................................................................6

3.

Danh mục các hình
Hình 1.1. Cảm biến siêu âm HY-SRF05 ...........................................................8
Hình 1.2. Sơ đồ chân cảm biến HY-SRF05 ......................................................9
Hình 1.3. Nguyên lý TOF ...............................................................................10
Hình 1.4. Hiện tượng forecasting ...................................................................11
Hình 1.5. Hiện tượng crosstalk ......................................................................11
Hình 1.6. Kiến trúc Harvard ..........................................................................12
Hình 1.7. Vi điều khiển PIC16F877A.............................................................13
Hình 1.8. Sơ đồ chân PIC 16F877A ...............................................................13
Hình 1.9. LCD 16×2 .......................................................................................17
Hình 1.10. Sơ đồ chân LCD 16×2 ..................................................................17
Hình 1.11. Mạch nạp PICKit 2.......................................................................19
Hình 1.12. IC nguồn 7805 ..............................................................................19
Hình 1.13. Thạch anh 20 000 Hz....................................................................20
Hình 2.1. Khối nguồn .....................................................................................21
Hình 2.2. Khối vi điều khiển ...........................................................................21
Hình 2.3. Khối giao tiếp cảm biến SRF-05 ....................................................22
Hình 2.4. Khối hiển thị ...................................................................................23
Hình 2.5. Sơ đồ giải thuật đo khoảng cách ....................................................23
Hình 2.6. Xung trên chân TRIG và ECHO .....................................................24
Hình 2.7. Các bước thi công và lắp mạch ......................................................24
Hình 2.8. Các khối mạch điện ........................................................................25
Hình 2.9. Sơ đồ Layout các khối mạch điện ...................................................25
Hình 3.1. Xung tín hiệu chân Trig (trên) và xung tín hiệu chân
Echo (dưới) .....................................................................................................27
Hình 3.2. Độ rộng xung tín hiệu trên chân Trig ............................................28
Hình 3.3. Chu kì xung tín hiệu trên chân Trig ...............................................28
3



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


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


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

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

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.

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



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)

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

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

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


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


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


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,

- 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


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.