Tiểu luận Tìm hiểu về cảm biến siêu âm loại SRF05 và giao tiếp giữa vi điều khiển 8051 với cảm biến SRF05

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ c Y d TIỂU LUẬN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010 T rước tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu trường Đại Học Công Nghiệp TpHCM đã tạo điều kiện cho chúng em có một môi trường học tập tốt với cơ sở khang trang đầy đủ tiện nghi, tạo điệu kiện thuận lợi cho việc học tập và làm tiểu luận của em. Em xin chân thành cảm ơn các thầy Khoa Công Nghệ Điện tử, thầy giáo hướng dẫn, đã tạo nhiều điều kiện, hướng dẫn tận tình cụ thể, phát huy cho em tính tự học, tự tìm hiểu và khảo sát các linh kiện điện tử và cách thức hoạt động cùa chúng, cụ thể là vi xử lý 8051; hình thành cho em phương pháp nghiên cứu, tìm tòi, tiếp cận với các công nghệ vi điều khiển.Trau dồi cho em kỹ năng học tập năng động và sáng tạo, giúp cho em tiếp cận các hệ thống xử lý thông minh trong thực tế một cách thiết thực hơn. Không có gì quý giá hơn lời cảm ơn, lời cảm ơn chân thành và kính trọng xin gửi đến các quý thầy cô giáo. MỤC LỤC TRANG Lời mở đầu 4Phần mở đầu 5 1.Một số loại cảm biến siêu âm 5 2.Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF 6 3.Một số vi điều khiểu họ 8051 7Phần nội dung 8 1.Cảm biến siêu âm và đặc điểm kỹ thuật 8 2.Vi điều khiển 8051 13 3.Giao tiếp giữa 8051 với cảm biến siêu âm SRF05 14 4.Một số ứng dụng của SRF05 với bộ vi điều khiển 17Phần kết luận 19Tài liệu tham khảo 19 T ự học và nghiên cứu là một vấn đề quan trọng không thể thiếu trong sự nghịêp học vô bờ. Bài tiểu luận này được xây dựng dựa trên những hiểu biết của em có được từ việc đọc và dịch các tài liệu có liên quan, từ đó đúc kết nên theo cách hiểu của cá nhân mình. Bố cục của bài tiểu luận này gồm có 3 phần : Phần mở đầu : Giới thiệu sơ lược đề tài Phần nội dung : Cảm biến siêu âm SRF05 và giao tiếp của SRF05 với vi điều khiển 8051. Phần kết luận : Những vấn đề đúc kết được. Em rất mong được sự nhận xét chân tình và đánh giá cụ thể của thầy cùng sự góp ý mật thiết của các bạn trong lớp. Dù đã được bổ sung nhiều lần, nhưng bài tiểu luận không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp và phê bình của thầy để em có thể làm tốt hơn ở những bài tiều luận khác. PHẦN MỞ ĐẦU : GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC 1. Một số loại cảm biến siêu âm :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.1.1. Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (Time Of Flight) Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/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 đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: d = v • t/2 1.2. Tầm quét của cảm biến siêu âm :Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó. 2. Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF Sensor Cảm biến Communication Thông tin Range Range Angle* Angle * Echoes** Echoes ** Ranging Time Thời gian khác nhau, Notes Ghi chú Minimum Tối thiểu Maximum Tối đa SRF02 SRF02 I2C / Serial I2C / Serial 15 cm 15 cm 6 m 6 m 45° 45 ° One Một 70 ms 70 ms A A SRF04 SRF04 Digital Kỹ thuật số 3 cm 3 cm 3 m 3 m 45° 45 ° One Một 100 μs - 36 ms 100 μs - 36 ms SRF05 SRF05 Digital Kỹ thuật số 3 cm 3 cm 4 m 4 m 45° 45 ° One Một 100 μs - 36 ms 100 μs - 36 ms SRF08 SRF08 I2C I2C 3 cm 3 cm 6 m 6 m 45° 45 ° 17 17 65 ms 65 ms BC BC SRF10 SRF10 I2C I2C 3 cm 3 cm 6 m 6 m 60° 60 ° One Một 65 ms 65 ms AB AB SRF235 SRF235 I2C I2C 10 cm 10 cm 1.2 m 1,2 m 15° 15 ° One Một 10 ms 10 ms AD AD *: Approximate angle of the sensor cone at 1/2 sensor range (see diagram above).*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở 1 / 2 cảm biến**: The number of echoes recorded by the sensor. **: Số vang ghi lại bởi cảm biến. These are the recorded echoes from the most recent reading, and are overwritten with each new ranging. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau.A: These sensors are smaller than the typical (SRF 04 / 05 / 08) size. A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04 / 08) kích thước. B: Range time can be adjusted down by adjusting the gain. B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được. C: This sensor also includes a photocell on the front for light detection. C: cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng. D: Operates at a higher 235kHz frequency. D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn. See the SRF235 Tech.3. Một số loại vi điều khiển họ 8051 : Chip ROM trong RAM trong Bộ định thời 8031 0 KB 128 byte 2 8032 0 KB 256 byte 3 8051 4 KB PROM 128 byte 2 8052 8KB PROM 256 byte 3 8751 4KB UV-EPROM 128 byte 2 8752 8KB UV-EPROM 256 byte 3 8951 4 KB FLASH ROM 128 byte 2 8952 8 KB FLASH ROM 256 byte 3 Sơ đồ chân vi điều khiển 8052/8031 PHẦN NỘI DUNG : CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 80511. Cảm biến siêu âm SRF05 và đặc điểm kỹ thuật1.1. Giới thiệu The SRF05 is an evolutionary step from the SRF04, and has been designed to increase flexibility, increase range, and to reduce costs still further. + SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. As such, the SRF05 is fully compatible with the SRF04.SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04. Range is increased from 3 meters to 4 meters. Khoảng cách được tăng từ 3 mét đến 4 mét. A new operating mode (tying the mode pin to ground) allows the SRF05 to use a single pin for both trigger and echo, thereby saving valuable pins on your controller.  + SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm giá trị trên chân điều khiển. When the mode pin is left unconnected, the SRF05 operates with separate trigger and echo pins, like the SRF04. Khi chân chế độ không kết nối, thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04. The SRF05 includes a small delay before the echo pulse to give slower controllers such as the Basic Stamp and Picaxe time to execute their pulse in commands.SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh. 1.2. Các chế độ của SRF05 1.2.1. Chế độ 1 : Tương ứng SRF04 – tách biệt kích hoạt và phản hồi This mode uses separate trigger and echo pins, and is the simplest mode to use. All code examples for the SRF04 will work for the SRF05 in this mode. Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng. Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này. To use this mode, just leave the mode pin unconnected - the SRF05 has an internal pull up resistor on this pin. Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết nối - SRF05 có một nội dừng trên chân này . 1.2.2. Chế độ 2 – Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi This mode uses a single pin for both Trigger and Echo signals, and is designed to save valuable pins on embedded controllers. Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. To use this mode, connect the mode pin to the 0v Ground pin. Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối vào chân mass. The echo signal will appear on the same pin as the trigger signal. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt. The SRF05 will not raise the echo line until 700uS after the end of the trigger signal. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt. You have that long to turn the trigger pin around and make it an input and to have your pulse measuring code ready. To use mode 2 with the Basic Stamp BS2, you simply use PULSOUT and PULSIN on the same pin, like this: Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, ta chỉ cần sử dụng PULSOUT và PULSIN trên cùng một chân, như sau : SRF05 PIN 15 sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echoRange VAR Word xác định phạm vi biến 16 bitSRF05 = 0 bắt đầu bằng pin thấp PULSOUT SRF05, 5         ' issue 10uS trigger pulse (5 x 2uS) PULSOUT SRF05, 5 đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS) PULSIN SRF05, 1, Range   ' measure echo time PULSIN SRF05, 1, Range echo đo thời gian Range = Range/29         ' convert to cm (divide by 74 for inches)Ra Range = Range/29 để chuyển đổi sang cm(chia 74 cho inch SRF05 = 0                ' start with pin lowCalculating the Distance+Tính toán khoảng cách :The SRF05 Timing diagrams are shown above for each mode.Giản đồ định thời SRF05 thể hiện ở hai chế độ trênYou only need to supply a short 10uS pulse to the trigger input to start the ranging.; Chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách.The SRF05 will send out an 8 cycle burst of ultrasound at 40khz and raise its echo line high (or trigger line in mode 2). It then listens for an echo, and as soon as it detects one it lowers the echo line again. Các SRF05 sẽ cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó (hoặc kích hoạt chế độ dòng 2). Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại. The echo line is therefore a pulse whose width is proportional to the distance to the object. Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng. By timing the pulse it is possible to calculate the range in inches/centimeters or anything else. Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch / centimét hoặc đơn vị đo khác. If nothing is detected then the SRF05 will lower its echo line anyway after about 30mS. Nếu không phát hiện gì thì SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30mS. The SRF05 can be triggered as fast as every 50mS, or 20 times each second. You should wait 50ms before the next trigger, even if the SRF05 detects a close object and the echo pulse is shorter. SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây. Nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn. This is to ensure the ultrasonic "beep" has faded away and will not cause a false echo on the next ranging.Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp. The other set of 5 pins +Các thiết lập khác của chân 5 The 5 pins marked "programming pins" are used once only during manufacture to program the Flash memory on the PIC16F630 chip. Chân 5 được đóng nhãn là "programming pins" được sử dụng một lần duy nhất trong quá trình sản xuất để lập trình cho bộ nhớ Flash trên chip PIC16F630. The PIC16F630's programming pins are also used for other functions on the SRF05, so make sure you don't connect anything to these pins, or you will disrupt the modules operation.Các chương trình của PIC16F630 pins cũng được sử dụng cho các chức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn rằng không kết nối bất cứ cái gì với các chân này, nếu không sẽ làm gián đoạn hoạt động mô-đun. Changing beam pattern and beam width +Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm You can't!Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05 được biểu diễn bên dưới:1.3.Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 : + Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại. By timing how long it takes for the echo to return, an accurate estimate can be made of the distance to the object. Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng. The sound pulse generated by the SRF05 is ultrasonic, meaning that it is above the range of human hearing. Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người. While lower frequencies could be used in this type of application, higher frequencies perform better for short range, high precision needs. Trong khi tần số thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao. + Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05 Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản xạ của nó. + Vùng phát hiện của SRF05 There are two constraints in this scenario to consider. If the threshold for object detection is set too close to the sensor then objects on a collision path might be in a blind spot. - Nếu ngưỡng để phát hiện đối tượng được đặt quá gần với cảm biến, các đối tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù. If the threshold is set at too great a distance from the sensor then objects will be detected which are not on a collision path (assuming that the width of the robot is less than a meter).Nếu ngưỡng này được đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì các đối tượng sẽ được phát hiện mà không phải là trên một đường va chạm.  - Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước. If the setup is such that there is a region where the two detection zones overlap, then an algorithm can be established around four possible states according to the following truth table:Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau. 2. Vi điều khiền 8051:Một số đặc tính cơ bản :- Bộ nhớ chương trình bên trong: 4 KB (ROM)- Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)- Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64 KB (ROM)- Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64 KB (RAM)- 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit- 2 bộ định thời 16 bit- Mạch giao tiếp nối tiếp- Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẽ)- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit- Nhân / Chia trong 4 us -Sơ đồ chân 8051 3.Giao tiếp giữa 8051 với cảm biến SRF05 -Các cảm biến siêu âm SRF05 cần một mạch đơn giản: nguồn 5V, một đầu vào tín hiệu kích hoạt và đầu ra phản hồi. Bộ cảm biến được kết nối với một PIC18F4420 cho đầu vào, đầu ra và tính toán khoảng cách.Danh sách phần cứng để kết nối: + Phạm vi tìm kiếm bằng siêu âm SRF05 + PIC18F4420 Vi xử lý + Winford R-11 tiêu đề + Vi mạch MPLAB ICD 2 + Vi mạch MPLAB IDE + Ardin 39,3216 MHz đồng hồ Crystal + Nguồn điện 5V  -Các đầu vào kích hoạt được kết nối với Pin20 của bộ vi xử lý và đầu ra phản hồi được kết nối với Pin21.Một xung chiều rộng 10 micro giây được gửi tới các đầu vào và sau đó kích hoạt đầu vào được bật off.Sau đó, dòng phản hồi kết quả được bật, khi đó nhận được tín hiệu phản hồi. Thời gian phản hồi là 1 tín hiệu xác định thời gian thực hiện cho xung để trở về sau khi nảy ra khỏi đối tượng. Đầu ra phản hồi được gửi đến một chuyển đổi Analog và số trong bộ đếm HEX. Ngõ ra sau đó được chuyển thành khoảng cách khi biết vận tốc và thời gian của tín hiệu . Thời điểm của mạch được điều khiển bởi một đồng hồ được thiết lập đến 400 MHz. Winford R-11 là tiêu đề trên được sử dụng cho chương trình vi xử lý. +Sơ đồ dây nối cảm biến siêu âm SRF05 với bộ vi điểu khiển và đồng hồ +Nguyên lý hoạt động : Bộ vi điều khiển nhận các tín hiệu từ môi trường bên ngoài thông qua bộ biến đổi ADC, được sử dụng để thu dữ liệu. Các máy tính số chỉ sử dụng giá trị thập phân, nhưng trong thực tế là các đại lượng vật lý như : vận tốc, nhiệt độ, áp suất..; Do đó, cần có bộ biến đổi để chuyển các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện hoặc điện áp, các bộ điều khiển có thể được coi như là các cảm biến. Các cảm biến có thể cho ra tín hiệu dạng dòng điện hoặc điện áp ở dạng liên tục. C¸c ®¹i l­îng vËt lý (nhiÖt ®é, ¸p suÊt, l­u tèc v.v) Bé biÕn ®æi Phèi hîp tÝn hiÖu ADC Bé vi ®iÒu khiÓn 4. Một ứng dụng của SRF05 và bộ vi điều khiển : Vi mạch Schematic (giản đồ) +Chế độ 1 hoạt động : In the following schematic, two digital I/O pins of a BrainStem GP 2.0 are configured to handle the ECHO and INIT lines of the SRF05 ranging module.  For this example, the ECHO pin is wired up to the GP digital pin 1.  This is the line that will receive the value measured by the SRF05 ranger.  The ECHO pin must be capable of using the Ptimer input capture to measure the width of the pulse generated by the SRF05.  The INIT pin is wired to the GP digital pin 0.  This is the pin that will send a 10 uSec pulse to initiate the sonic bursts by the ranger.  The circuit is powered by a 6C Battery Pack.Trong sơ đồ sau đây, hai kỹ thuật số I / O pins của một BrainStem GP 2,0 được cấu hình để xử lý các ECHO và dòng Init của SRF05 module khác nhau. Pin ECHO là dây dẫn đến cổng số pin GP 1. Đây là dòng mà sẽ nhận được giá trị được đo bằng SRF05. Các pin ECHO phải có khả năng sử dụng các đầu vào Ptimer chụp để đo chiều rộng của xung được tạo ra bởi các SRF05. Các pin init là dây vào các chân kỹ thuật số GP 0, pin này sẽ gửi một xung 10 USEC để bắt đầu vỡ âm, mạch được hỗ trợ bởi một 6C Battery Pack. +Chế độ 2 hoạt động : Trong sơ đồ sau đây, một pin duy nhất cổng số được sử dụng cho init và cả đường ECHO của SRF05 .Đối với sơ đồ này, init / line ECHO là dây vào chân số 1 GP. Pin này có khả năng đo chuyển động của hệ thống. PHẦN KẾT LUẬN : NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÚC KẾT ĐƯỢC + Cảm biến siêu âm SRF05 là loại cảm biến được cấu thành từ hai bộ phận : bộ phận phát sóng âm và bộ phận thu sóng âm. Ứng dụng của SRF05 được sử dụng rộng rãi, dùng để nhận biết các vật trong khoảng cách từ 3cm đến 4m và đo khoảng cách của vật. Đặc tính vượt trội của SRF05 là ở chế độ 2. + Cảm biến siêu âm SRF05 có khả năng kết nối với vi điều khiển 8051 tạo thành vi mạch điều khiển, ứng dụng của khả này được sử dụng trong một robốt dò đường tránh chướng ngại vật và đo khoảng cách.+ Trong công nghiệp các cảm biến siêu âm cũng có thể gặp phải nhiều sai xót do môi trường ngoài tác động lên cảm biến, do vậy cần có những bộ phận xử lý tín hiệu từ cảm biến.+ Ngày nay, người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển việc chế tạo các robot có gắn cảm biến siêu âm đồng thời với các cảm biến khác như laser, camera… kết hợp với các công nghệ của viễn thông như GPS, GSM nhằm nâng cao độ chính xác trong việc định vị cũng như thăm dò một khoảng không gian nào đó để xây dựng bản đồ. Tài liệu tham khảo +Sonar faq, srf05tech, Application_Note_Ultrasonic +HANS P. MORAVEC, “Sensor Fusion in Certain Grid for Mobiles Robots” +Các trang web tham khảo: ant7.com, acroname.com, hobbyengineering.com, cpu.word.com, metechvn.com, robotics.com. NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HUỚNG DẪN