Header Page 1 of 126.

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
Footer Page 1 of 126.


Header Page 2 of 126.

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

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


PHỤ LỤC ..................................................................................................................38

2
Footer Page 2 of 126.


Header Page 3 of 126.

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

Bảng 1.2. Các đặc tính nổi bật vi điều khiển PIC 16F877A ..........................13
Bảng 1.3. I/O vi điều khiển PIC 16F877A .....................................................14
Bảng 1.4. Timer vi điều khiển PIC 16F877A .................................................15
Bảng 1.5. Ngắt vi điều khiển PIC 16F877A ...................................................16
Bảng 1.6. Sơ đồ chân LCD .............................................................................17
Bảng 3.1. Số liệu độ rộng xung ứng với khoảng cách ....................................30
Bảng 3.2. Sai số phép đo khoảng cách ...........................................................32
Bảng 3.3. Số liệu khoảng cách ghi nhận được theo góc ................................34

5
Footer Page 5 of 126.


Header Page 6 of 126.

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

biến trên mạch điện tử vừa chế tạo.

7
Footer Page 7 of 126.


Header Page 8 of 126.

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


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

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
Footer Page 10 of 126.


Header Page 11 of 126.

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
Footer Page 11 of 126.


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
Footer Page 12 of 126.


Header Page 13 of 126.

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

Bộ định thời và CCP

3
4
5
6
7
8
9

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

1
2
3
4
5

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.

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
Footer Page 14 of 126.

THANH GHI SFR
PORTA, TRISA
PORTB, TRISB
PORTC, TRISC
PORTD, TRISD
PORTE, TRISE


Header Page 15 of 126.

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.
Đặc điểm

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


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


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);

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


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


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


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
Footer Page 19 of 126.


Header Page 20 of 126.

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
Footer Page 20 of 126.

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
Footer Page 22 of 126.


Header Page 23 of 126.

Hình 2.4. Khối hiển thị

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
Footer Page 23 of 126.


Header Page 24 of 126.

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



2.3.3. 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
Footer Page 25 of 126.