Khóa luận Xây dựng thiết bị nhận biết phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ trở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Công Biển XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Công Biển XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thăng Long HÀ NỘI – 2005 Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn đến các thày cô giáo trong nhà trường, những người tâm huyết đã nhiệt tình truyền đạt tri thức cho những thế hệ sinh viên của trường Đại học Công nghệ. Em xin gửi lời cảm ơn đến GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ và TS Nguyễn Thăng Long đã tạo điều kiện cho em được tham gia thực tập tại phòng thí nghiệm MEMS và định hướng cho em trong quá trình thực tập và làm khoá luận. Đặc biệt là sự chỉ bảo nhiệt tình của TS Nguyễn Thăng Long, thày đã trang bị cho em phương pháp luận và nhiều kiến thức quan trọng giúp em hoàn thành khoá luận này. Em xin cảm ơn các anh trong bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thống đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian qua, cảm ơn các bạn trong nhóm MEMS đã động viên, giúp đỡ trong thời gian thực ở nhóm. Tóm tắt Hiện nay, với công nghệ mạch tích hợp và công nghệ màng mỏng phát triển mạnh mẽ, công nghệ cảm biến từ đã được cải tiến về độ cảm nhận và giảm thiểu kích thước, phù hợp khi ghép nối với các thiết bị điện tử. Các cảm biến từ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đặc biệt là trong đo lường và điều khiển. Trong khoá luận này, em tập trung nghiên cứu cảm biến từ trở và xây dựng thiết bị đo sự thay đổi từ trường, thiết bị này được ứng dụng để phát hiện các phương tiện giao thông. Thiết bị được xây dựng, để đưa vào ứng dụng rộng rãi, phải thỏa mãn các yêu cầu như: độ ổn định cao, giá thành hạ, thuận lợi trong lắp đặt và sử dụng… Từ đó, khoá luận này sẽ nghiên cứu các vấn đề sau: • Một số loại cảm biến thường được sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông. • Hiệu ứng từ trở dị hướng trong vật liệu. • Xây dựng thiết bị phát hiện phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ trở. Các kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy thiết bị được xây dựng có thể xác định một số thông số như: lưu lượng ô tô, vân tốc của chúng qua một điểm nút... Đây là tiền đề cho việc xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển giao thông thông minh trong tương lai. Mục lục Chương 1 Một số loại cảm biến sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông ...................................................................................................................2 1.1 Những thông số cơ bản trong giám sát và điều khiển giao thông .........................2 1.2 Một số loại cảm biến sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông.....................3 1.2.1 Vòng cảm ứng từ ............................................................................................3 1.2.2 Radar...............................................................................................................5 1.2.3 Camera............................................................................................................7 1.2.4 Cảm biến hồng ngoại......................................................................................7 1.2.5 Cảm biến từ ....................................................................................................9 Chương 2 Cảm biến từ trở di hướng AMR .........................................................11 2.1 Cơ bản về vật liệu từ............................................................................................11 2.2 Hiệu ứng từ trở dị hướng .....................................................................................12 Chương 3 Ứng dụng cảm biến từ trở dị hướng để nhận biết phương tiện giao thông .................................................................................................................18 3.1 Mô tả ứng dụng....................................................................................................18 3.1.1 Sơ đồ khối và chức năng ..............................................................................18 3.1.1.1 Cảm biến từ trở HMC 1052...................................................................20 3.1.1.2 Khối khuếch đại.....................................................................................22 3.1.1.3 Khối biến đổi tương tự - số (ADC) .......................................................23 3.1.1.4 Khối truyền thông nối tiếp(UART) .......................................................25 3.1.1.5 Mạch thực hiện tạo xung Set/Reset .......................................................26 3.2 Kết quả thực nghiệm và nhận xét ........................................................................29 Tài liệu tham khảo.......................................................................................................36 Phụ lục 1 .......................................................................................................................37 Phụ lục 2 .......................................................................................................................38 1 Lời mở đầu Các thiết bị hoạt động dựa trên tác động của từ trường đã được sử dụng từ rất sớm, cách đây hơn 2000 năm. Những ứng dụng ban đầu chủ yếu là trong việc xác định hướng, định vị trí… Ngày nay, các cảm biến từ vẫn chủ yếu được dùng trong các ứng dụng đạo hàng, nhưng chúng ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng khác ( như: cảm biến từ được sử dụng trong các đầu đọc cho băng đĩa, ổ lưu trữ dữ liệu, trong các mũi khoan…). Đặc biệt với cảm biến từ trở dị hướng, có độ cảm nhận cao, hoạt động trong vùng từ trường của trái đất, đã được sử dụng trong các ứng dụng về giao thông như: ứng dụng điều khiển thanh ngang trong hệ thống đường sắt, điều khiển xe ôtô tìm vị trí trống để đỗ xe, phát hiện xe ôtô… Vì vậy, em đặt mục tiêu nghiên cứu và xây dựng thiết bị phát hiện phương tiện giao thông, có thể triển khai trong thực tế ở nước ta. Các hệ thống giám sát và điều khiển giao thông đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới, chúng có ưu điểm: độ chính xác cao, hoạt động thông minh… Tuy nhiên nhược điểm quan trọng làm cho chúng không thể áp dụng ngay tại Việt Nam đó là đặc điểm hạ tầng cơ sở giao thông ở nước ta mang đặc thù riêng và giá thành của các hệ thồng này rất cao. Ở nước ta đã có một số nhóm nghiên cứu và xây dựng hệ thống giám sát giao thông (như nhóm nghiên cứu ở trường ĐH GTVT, sử dụng xử lý hình ảnh để giám sát phương tiện giao thông), tuy nhiên chúng vẫn chưa được triển khai trong thực tế. Vì vậy một thiết bị giám sát giao thông hoạt động ổn định có độ chính xác cao, giá thành thấp có ý nghĩa quan trọng để xây dựng hệ thống mạng giám sát giao thông trong thành phố hay trên các tuyến đường cao tốc ở vùng ngoại thành… Trên thực tế có nhiều phương pháp để nhận biết phương tiện giao thông, sử dụng nhiều loại cảm biến từ đơn giản đến tinh vi như: vòng từ, radar, cảm biến từ, phát sóng siêu âm, camera… Những loại cảm biến này có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp là cần thiết để xây dựng được thiết bị mong muốn. Trong khoá luận này, em sẽ tìm hiểu một số loại cảm biến thông thường đã được sử dụng trong thực tế ở một số nước trên thế giới, trong các hệ thống giám sát giao thông. Cảm biến phù hợp nhất sẽ được lựa chọn để xây dựng thiết bị và thiết bị phải được kiểm nghiệm trong thực tế đối với các yêu cầu đặt ra. 2 Chương 1 Một số loại cảm biến sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông 1.1 Những thông số cơ bản trong giám sát và điều khiển giao thông Một hệ thống quản lý giao thông, về cơ bản, có thể được chia ra làm ba khối chức năng chính: • Khối thu thập dữ liệu: Khối này có chức năng thu thập các dữ liệu mô tả tình trạng các luồng giao thông trên các tuyến đường, truyền các thông tin này tới các trạm thu nhận trong hệ thống. • Khối xử lý thông tin: Khối này sẽ thu thập các thông tin về tình trạng giao thông, xử lý các thông tin đó, đưa ra các giải pháp để tối ưu hoá quá trình giao thông. • Khối điều khiển giao thông: Dựa trên các thông tin thu nhận được và đã được xử lý, hệ thống điều khiển đưa ra những quyết định như: phân luồng giao thông, cảnh báo khả năng tắc ngẽn có thể xay ra, cảnh báo các tai nạn… Những thông tin cơ bản cung cấp cho hệ thống quản lý giao thông gồm có: lưu lượng, tốc độ của các phương tiện, hiệu suất chiếm chỗ trên các tuyến đường, độ dài hàng đợi khi xảy ra tắc ngẽn… Lưu lượng (Volume): Lưu lượng giao thông được định nghĩa là số phương tiện khảo sát hoặc tính toán được trên một đoạn đường giao thông trong một khoảng thời gian. Thông số này thường được sử dụng để đánh giá chất lượng hoạt động của giao thông. Thông số lưu lượng phương tiện giao thông được sử dụng để theo dõi hoạt động giao thông trong các thời điểm lịch sử và từ đó dự đoán các khả năng có thể xảy ra tắc ngẽn giao thông trong tương lai trên các làn đường [8]. Tốc độ (Speed): Tốc độ của các phương tiện tham gia giao thông là thông số quan trọng quyết định đến chất lượng hoạt động của giao thông. Tốc độ thường được sử dụng để mô tả hoạt động giao thông bởi nó đơn giản và dễ hiểu. Đo tốc độ thường được thực hiện đối với từng loại phương tiện giao thông, và sau đó sẽ lấy trung bình. Tốc độ đo được có thể được so sánh với các giá trị tối ưu để đánh giá mức độ hoạt động của các tuyến đường, hoặc xác định các va chạm có thể xảy ra. Ví dụ: các hệ thống cảnh báo các va chạm có thể xảy ra khi tốc độ trung bình giảm xuống dưới tốc độ yêu cầu, hoặc tốc độ của một phương tiện nào đó quá cao [8]. 3 Hiệu suất chiếm chỗ (Occupancy): Được định nghĩa là tỉ lệ thời gian mà các phương tiện có mặt trên một đoạn đường và nó thường được sử dụng thay thế cho thông số mật độ phương tiện giao thông. Hiệu suất chiếm chỗ trên từng đoạn đường được xác định bằng các bộ theo dõi và phát hiện phương tiện, và từ đó ta dễ dàng xác định được mật độ phương tiện giao thông. Hiệu suất chiếm chỗ trên mỗi đoạn đường có giá trị từ 0 (khi không có phương tiện nào đi qua đoạn đường này) đến 100 (khi mà các phương tiện giao thông đỗ trên toàn đoạn đường đó) [8]. Các thông số lưu lượng, tốc độ, hiệu suất chiếm chỗ, là những thông tin truyền thống được sử dụng trong các hệ thống giám sát giao thông. Nhưng trong các hệ thống giám sát và quản lý giao thông ngày nay còn sử dụng các thông tin khác như: thời gian hoạt động của các phương tiện trên các làn đường, vị trí của các phương tiện giao thông, vị trí các luồng giao thông, vị trí các phương tiện phục vụ cho các nhiệm vụ khẩn cấp, độ dài hàng đợi phương tiện khi xảy ra tắc ngẽn, điều kiện mặt đường giao thông (như: độ ẩm, nhiệt độ, băng tuyết…), điều kiện khí quyển… 1.2 Một số loại cảm biến sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông Trong thực tế có nhiều loại cảm biến đã được nghiên cứu và ứng dụng để phát hiện các phương tiện giao thông. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập ngắn gọn một số loại cảm thông biến thương được sử dụng nhất. 1.2.1 Vòng cảm ứng từ Vòng cảm ứng từ là loại cảm biến đơn giản dựa trên cơ sở định luật Faraday. Theo đó, một vòng dây đặt trong từ trường biến thiên, sẽ tạo ra điện áp tự cảm tỷ lệ với độ biến thiên của từ trường xung quanh cuộn dây. dt d te φ −=)( (1.1) Cuộn cảm ứng từ tương đương với một mạch dao động LC. Mạch dao động này có điện áp lối ra phụ thuộc vào tần số dao động trong mạch. Hình vẽ 1, mô tả mạch dao động bao gồm một cuộn cảm L mắc nối tiếp điện trở R và tụ C [6]. 4 Hình 1. Giá trị điện áp lối ra phụ thuộc vào tần số dao động của cuộn dây, và độ lớn của từ trường. Dự trên cơ sở này, người ta có thể xây dựng thiết bị phát hiện phương tiện giao thông sử dụng vòng cảm ứng từ. Thiết bị này sẽ cảm biến với sự xuất hiện của vật thể kim loại. Vòng cảm ứng sẽ thay đổi trở kháng khi có vật thể kim loại xuất hiện xung quanh nó. Thiết bị loại này thường gồm 4 phần (hình 2): một vòng dây (hoặc nhiều vòng dây) được gắn dưới bề mặt đường, một cặp đầu dây nối từ vòng cảm ứng từ đến thu nhận tín hiệu đặt ở bên cạnh đường, một đầu dây nối từ hộp thu nhận này tới bộ điều khiển, và một khối điện tử đặt trong cabin điều khiển. Khối điện tử điều khiển bao gồm bộ dao động và khuếch đại để xử lý tín hiệu thu được từ vòng dây. Khi có phương tiện giao thông đi qua các vòng cảm ứng từ hoặc dừng trong các vòng này, sẽ làm thay đổi trở kháng của vòng dây, do đó làm mất cân bằng mạch, kết quả là làm thay đổi tần số dao động của mạch. Sự thay đổi dao động sẽ được phát hiện bởi khối mạch điện tử và do đó phương tiện giao thông được phát hiện. Hình 2. Mô tả vòng cảm ứng được sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông 5 Kích thước, hình dạng và cấu hình của vòng dây phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Bởi tính linh hoạt trong cấu hình vòng cảm ứng, nên nó có thể phù hợp để phát hiện nhiều loại phương giao thông khác nhau. Các bộ phát hiện phương tiện giao thông sử dụng vòng cảm ứng từ có thể phát hiện được sự xuất hiện của các phương tiện, đếm phương tiện, xác định hiệu suất chiếm chỗ trên mỗi đoạn đường. Với một vòng cảm ứng từ không thể xác định trực tiếp tốc độ của các phương tiện. Với cấu hình sử dụng hai vòng cảm ứng, và thuật toán thích hợp ta sẽ xác định được thông số tốc độ của phương tiện. Với các vòng cảm ứng từ tốt và khối điện tử xử lý thích hợp, các thông tin thu được từ thiết bị này có thể phân loại được các phương tiện giao thông. Hoạt động của các vòng cảm ứng từ là đơn giản và dễ hiểu, và cung cấp các thông số cơ bản trong giao thông. Giá thành khi chế tạo thiết bị sử dụng vòng cảm ứng từ thấp hơn so với công nghệ cảm biến không phá huỷ mặt đường như: phương pháp sủ dụng Camera, sử dụng radar… Điều hạn chế đối với việc sử dụng vòng cảm ứng từ là phải phá huỷ đường giao thông khi cài đặt và sửa chữa. Ngoài ra các vòng cảm ứng từ chịu tác động của nhiệt độ [7]. 1.2.2 Radar Radar (Radio Detection And Ranging) dùng sóng viba được đặt bên lề các tuyến đường giao thông, với bước sóng sử dụng thường trong vùng tần số 10.525 GHz (vùng tần số của tia X). Radar sẽ phát ra năng lượng trong một vùng trên đường, độ rộng của vùng có thể điều khiển được, gọi là vùng quan sát. Một phần năng lượng phát ra sẽ bị phản xạ bởi các phương tiện giao thông đến cảm biến. Tại đó cảm biến sẽ phát hiện và chuyển đổi thành các thông tin về giao thông. Có thể sử dụng một cảm biến hoặc có thể kết nối nhiều cảm biến, đặt bên lề đường giao thông [7]. 6 Hình 3. Radar nhận tín hiệu phản xạ từ các phương tiện giao thông Radar sử dụng trong các ứng dụng giao thông thường sử dụng hai loại sóng. Loại thứ nhất phát sóng liên tục (CW) có tần số không đổi theo thời gian. Loại thứ hai phát ra sóng đã được điều tần. Radar phát ra sóng liên tục mà tần số không thay đổi theo thời gian, theo nguyên lý Doppler, thì sự chuyển động của các phương tiện giao thông trong vùng nhìn của Radar làm thay đổi tần số của tín hiện phát ra. Tín hiệu phản xạ lại khi gặp các phương tiện có tần số khác tần của tín hiệu phát ra. Do đó nó có thể phát hiện được khi có phương tiện giao thông di chuyển qua. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này không thể phát hiện được phương tiện khi chúng không chuyển động [8]. Radar sử dụng sóng đã được điều tần phát ra sóng có tần số thay đổi tuần hoàn theo thời gian. Do đó nó thể phát hiện được các phương tiện khi chúng không chuyển động. Hình 4. Tín hiệu điều tần được phát ra và thu được về Radar 7 Bằng cách sử dụng Radar, thiết bị có thể cung cấp các thông tin như: lưu lượng phương tiện giao thông, tốc độ của phương tiện, độ dài hàng đợi…nhưng không thể phân loại được phương tiện. Tuy nhiên sử dụng Radar là tốn kém, không phù hợp với điều kiện kinh tế đất nước ta. 1.2.3 Camera Các camera vốn được sử dụng trong các hệ thống quản lý giao thông dựa trên khả năng truyền hình ảnh tới hệ thống vô tuyến đến trung tâm điều hành. Trong các ứng dụng quản lý giao thông ngày nay, các camera cung cấp hình ảnh được tự động phân tích các tình huống giao thông và rút ra các thông tin phục vụ cho giám sát và điều khiển giao thông. Các hệ thống xử lý hình ảnh video thường bao gồm một hoặc nhiều camera, một bộ vi xử lý để số hoá và phân tích hình ảnh, và phần mềm phân tích các hình ảnh thành các thông tin mong muốn [7]. Hệ thống xử lý hình ảnh sẽ phát hiện phương tiện giao thông bằng cách phân tích hình ảnh thu được từ các camera, phân biệt sự thay đổi giữa các khung ảnh liên tiếp. Thuật toán xử lý hình ảnh khảo sát sự thay đổi các mức xám theo các nhóm điểm ảnh trong từng khung hình ảnh. Các thuật toán này sẽ tách các mức xám trong hình ảnh gốc (background ) do các điều kiện thời tiết, thay đổi ánh sáng, sao cho vẫn giữ lại được hình ảnh các vật thể cần phát hiện. Các thông tin khác (vận tốc, lưu lượng, phân loại phương tiện…) đạt được thông qua phân tích các khung hình ảnh liên tiếp nhau [8]. Các kỹ thuật xử lý hình ảnh liên tục cải tiến khả năng nhận biết các vật thể trong bóng tối, hay thay đổi ánh sáng, phản chiếu ánh sáng, điền kiện thời tiết khắc nghiệt. Các hệ thống xử lý hình ảnh có nhiều camera có thể cung cấp các thông tin trong vùng rộng lớn. Tuy nhiên, khả năng thu nhận hình ảnh sẽ giảm sút trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, ánh sáng không tốt… hoặc khi xảy ra tắc nghẽn sẽ khó phân biệt các phương tiện. Chi phí để xây dựng hệ phát hiện theo phương pháp là rất cao. 1.2.4 Cảm biến hồng ngoại Các cảm biến hồng ngoại được sản xuất sử dụng trong các ứng dụng trong giao thông, thường được gắn trên các thanh ngang qua làn đường giao thông. Có hai loại cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông là: tích cực và thụ động. Thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực (Active Infared Sensor): Loại này sẽ phát sóng xuống một vùng hẹp với năng lượng thấp được tạo ra bởi các Diode 8 Laser. Các Diode Laser hoạt động trong dải bước sóng gần vùng hồng ngoại, xung quanh bước sóng 0.85µm. Năng lượng do các Diode Laser phát ra sẽ bị phản xạ lại khi gặp các phương tiện giao thông (mà chúng không hấp thụ năng lượng này). Năng lượng phản xạ này sẽ được hướng tới cảm biến hồng ngoại đặt trên mặt phẳng vuông góc và đi qua tiêu điểm (tiêu diện) của hệ quang học thu năng lượng hồng ngoại này. Cảm biến Laser hồng ngoại tích cực có hai bộ quang học. Bộ quang học phát chia lối ra thành hai chùm tia, lệch nhau khoảng vài độ (Hình 5). Bộ phận quang học nhận có vùng nhìn rộng hơn, vùng này có thể nhận năng lượng bị phân tán do gặp các phương tiện giao thông. Bằng cách phát ra một hay nhiều chùm tia, hệ thống này có thể xác định xác định thời gian phương tiện đi vào mỗi chùm tia [6]. Sử dụng các cảm biến hồng ngoại tích cực cho phép phát hiện phương tiện, xác định lưu lượng, độ dài phương tiện, phân loại phương tiện. Hình 5. Diode Laser phát ra năng lượng hồng ngoại xuống làn đường giao thông Thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động: là loại không phát ra năng lượng, mà nó chỉ thu nhận năng lượng hướng tới nó. Năng lượng hướng tới cảm biến có thể được phát ra từ các phương tiện giao thông, từ bề mặt đường hay các vật thể khác khi chúng nằm trong vùng nhìn (vùng cảm biến) của cảm biến. Vì vậy sử dụng loại cảm biến này có vùng nhìn rộng hơn. Các cảm biến hồng ngoại có thể được chế tạo để thu nhận năng lương tại bất kỳ tần số nào. Một số loại được chế tạo thu nhận ở bước sóng trong dải hồng ngoại từ 8 đến 14 µm, có thể làm giảm thiểu được hiệu ứng của phản chiếu ánh sáng mặt trời và sự thay đổi cường độ sáng do sự chuyển động của mây. Khi có phương tiện đi vào 9 vùng nhìn của cảm biến, làm thay đổi năng lượng mà cảm biến nhận được, do đó có thể phát hiện được chúng. Năn