Đề Tài Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Cảm Biến Siêu Âm Chống Nước Jsn-Sr04T.pdf

ĐẠI H C QUỐC GIA HÀ N I Ọ Ộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

-🙜🙜 🙞🙞 -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Môn Kỹ Thuật Đo Lường Và Cảm Biến

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM CHỐNG NƯỚC JSN-SR04T

Hà Nội, tháng 11 năm 2023

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ-

Giảng viên hướng dẫn: TS Đinh Trần Hiệp

Lớp: EMA2024_41 Nhóm Sinh viên thực hiện:

Bùi Tuấn Huy MSSV: 21021311

Hoàng Minh Hiếu MSSV: 21021301

Nguyễn Văn Huy MSSV: 21021315

Nguyễn Văn Hữu MSSV: 21021325

Lê Văn Đức MSSV: 210212 91

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

GIỚI THIỆU CHUNG 5

2 Điều kiện đo. 10

3 Ước lượng số lần đo 10.

III KẾT QUẢ ĐO. 12

1 Đo 50 lần trong môi trường nước. 12

2. Đo 50 lần trong môi trường không khí 13

3 Đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao. 15

IV ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO. 16

a Mô hình 3D và nguyên lý hoạt động. 21

b Sơ đồ thuật toán. 23

c Đấu nối Arduino. 23

4 Các linh kiện sử dụng và thông số kỹ thuật. 24

a. 01 Cảm biến siêu âm JSN-SR04T 24

b 01 Board Arduino UNO R3 25

LỜI NÓI ĐẦU

Báo cáo này dùng để biểu diễn cơ bản thiết kế và thi công đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng cảm biến siêu âm JSN SR04T”, giúp ta có cái nhìn toàn vẹn về các chức năng -của cảm biến cũng như giúp mọi người hiểu rõ hơn về cảm biến JSN-SR04T thông qua đo lường dưới các điều kiện khác nhau Với đề tài này, nhóm hy vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu để có thể mở rộng, phát triển hơn nữa Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này có thể nâng cấp lên hệ thống tự động trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và chăn nuôi… Từ đó, hệ thống đáp ứng nhu cầu, nâng cao đời sống tiện ích cho con người, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại hiệu quả và lợi ích kinh tế cao

Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những sai sót, nhóm mong sẽ nhận được sự góp ý và đánh giá của thầy

Xin chân thành cảm ơn!

pg 5

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong xã hội ngày càng phát triển như hiện nay, các loại máy móc và các hệ thống tự động ngày càng phong phú và đa dạng Trong đó, cảm biến là một phần thiết yếu trong từng thiết bị mà con người sử dụng với nhiều chức năng, nhiều loại khác nhau Một trong những yêu cầu của khoa học kỹ thuật hiện tại là xử lý, nhận diện khoảng cách, yêu cầu này đòi hỏi sức người và tiêu tốn thời gian lớn nếu sử dụng lao động chân tay Chính vì vậy, nhóm quyết định nghiên cứu cảm biến siêu âm JSN SR04T, ứng dụng -trong việc xây dựng và chế tạo mô hình “Hệ thống cảnh báo vật cản hỗ trợ cho người lái xe”

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã sử dụng cảm biến để đo các kết quả trong 03 thực nghiệm với từng điều kiện khác nhau, từ kết quả đó nhóm đã tính toán và rút ra những ưu điểm và hạn chế của cảm biến siêu âm JSN SR04T Qua đó, tìm hiểu được -điều kiện và phạm vi hoạt động của cảm biến để cảm biến đưa ra kết quả chính xác nhất và ứng dụng vào mô hình sản phẩm

GND Power negative Chân nối với đất Echo(TX) Transmit Truyền tín hiệu về thời

gian trễ

Trig(RX) Receive Gửi tín hiệu bắt đầu phát sóng siêu âm VCC Power positve Nguồn nuôi 3-5,5V

Bảng 1 1 Chân của cảm biến và chức năng

Kết nối với MCU Bảng 1.2:

pg 7

Bảng 1 2 Kết nối trên MCU

JSN-SR04T-2.0 có 3 chế độ làm việc, làm việc với chế độ nào phụ thuộc vào giá trị điện trở R27 trên board

Mode 1: R27 để trống Chế độ hoạt động cơ bản:

Sử dụng chân IO của MCU để điều khiển, tối thiểu là một xung 10us Module tự động gửi 8 sóng 40khz vuông, tự động phát hiện xem có một tín hiệu để trở về;

Một tín hiệu để trở lại, thông qua mức cao ở chân ECHO, high time là thời gian sóng siêu âm từ lúc phát đi đế lúc trở lại Kiểm tra khoảng cách = (high time * tốc độ âm thanh (340M / s)) / 2;

Module được kích hoạt sau khi đo khoảng cách, nếu bạn không thể nhận được echo (lý do vượt quá phạm vi đo hoặc đầu dò không nằm trên vật đo được), cổng ECHO sẽ tự động xuống mức thấp sau 60ms, và dừng việc đo lại cho dù thành công hay không

Mode 2: R27=47K

Ở chế độ làm việc này, thì mỗi 100ms sẽ tự động xuất ra giá trị khoảng cách cảm biến đo được, đơn vị là milimet Sau khi module được cấp nguồn, sẽ hoạt động ở mode 2 ngay lập tức, và dữ liệu sẽ được gửi đi mỗi 100ms qua chân echo (TX) Dữ liệu được gữi đi bao gồm: 0xFF +H_DATA + L_DATA + SUM

0xFF: Byte báo hiệu bắt đầu gữi dữ hiệu H_Data: 8 bit trên của khoảng cách L_Data: 8 bit dưới của khoảng cách

SUM: Byte kiểm tra dữ liệu gữi qua có đúng hay không SUM = 0xFF + H_DATA +L_DATA (luôn thấp hơn 8 bit)

**Chú ý: Khoảng cách được gửi đi tổng cộng là 16 bit, và khoảng cách được tính bằng milimet

Ví dụ: Cảm biến gửi về FF 07 A1 A7 Sum = A7 = (0x07 + 0xA1 +0xFF) & 0x00FF 0x07 là 8 bit trên của khoảng cách 0xA1 là 8 bit dưới của khoảng cách Giá trị khoảng cách là 0x07A1, chuyển về thập phân là 1953mm Mode 3: R27=120K

Sau khi cấp nguồn cho module, module sẽ chuyển sang chế độ chờ (stand by) TTL sẽ được cấu hình là serial port là: 9600, n, 8, 1 Khi chân RX nhận được giá trị 0x55, module sẽ bắt đầu làm việc tương tự như ở Mode 2

3. Nguyên lý hoạt động.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm JSN SR04T dựa trên sự truyền và -nhận sóng siêu âm để đo khoảng cách giữa cảm biến và vật thể Dưới đây là nguyên lý hoạt động cơ bản:

- Phát sóng siêu âm: Cảm biến bắt đầu quá trình bằng cách phát sóng sóng siêu âm từ bộ phát sóng siêu âm của nó Bộ phát này thường sử dụng một loa siêu âm để tạo ra sóng âm có tần số siêu âm

- Phản xạ từ vật thể: Sóng siêu âm được phát ra và di chuyển nhanh chóng qua không gian Khi nó gặp một vật thể, nó sẽ bị phản xạ lại

- Nhận sóng siêu âm: Cảm biến sử dụng bộ thu sóng siêu âm của mình, thường là một micro siêu âm, để nhận sóng siêu âm được phản xạ từ vật thể

- Đo thời gian trễ: Cảm biến ghi lại thời gian mà sóng siêu âm mất để đi từ bộ phát đến vật thể và quay trở lại bộ thu Thời gian trễ này được đo bằng cách tính toán khoảng thời gian giữa lúc phát và lúc nhận sóng

- Tính toán khoảng cách: Với thông tin về thời gian trễ và tốc độ lan truyền của sóng siêu âm trong không khí, cảm biến có thể tính toán khoảng cách từ nó đến vật thể theo công thức:

Khoảng cách = (Thời gian trễ x Tốc độ sóng) / 2 Hệ số 2 xuất hiện vì sóng phải đi đến vật thể rồi quay lại, nên khoảng cách được tính chỉ là khoảng cách một chiều

Sơ đồ khối cách hoạt động (Hình 1.3):

pg 9 Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm JSN-SR04T

II CÁC THỰC NGHIỆM

1. Phương pháp đo.

Trong các thực nghiệm đã làm ở bài báo cáo này, nhóm sử dụng cảm biến siêu âm JSN-SR04T và Arduino UNO R3 để tiến hành đo và khảo sát khoảng cách với 1 vật cụ thể, kết quả đo được dưới dạng cm/mm/inch sau đó dùng để so sánh với giá trị chuẩn (True Value), từ đó rút ra những kết luận

Ta sử dụng công thức chuyển đổi từ thời gian trễ của sóng siêu âm sang (đo được trong us) trực tiếp sang khoảng cách (đo được trong m/cm):

𝐷 = 𝛥𝑡 × 𝑣 × 10

2 × 106

Trong đó:

+ D: khoảng cách đo được từ c m biả ến đến vật (mm)

+ 𝛥t: Th i gian tr (ờ ễ 𝜇𝑠) - s chênh l ch gi a thự ệ ữ ời điểm kết thúc và thời điểm bắt đầu (𝑡𝑒𝑛𝑑 − 𝑡𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡).

+ v: Vận tốc của sóng siêu âm trong một môi trường cụ thể

+ Hằng số 2 × 106: Để chia thời gian trễ cho 2 giúp tính khoảng cách 1 chiều (đi từ cảm biến đến vật thể và không quay trở lại), 106chuyển đổi từ micro giây sang giây

2. Điều kiện đo.

Trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã thực hiện 4 phép đo với khoảng cách đo 500mm tính từ cảm biến đến vật cản, lần lượt là:

+ Đo 50 lần trong môi trường không khí + Đo 50 lần trong môi trường nước + Đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao

Với mô hình đo được xây dựng như Hình 2.1:

pg 11 Hình 2 1 Mô hình đo

Sau khi cảm biến được cấp nguồn, cảm biến sẽ phát ra một sóng siêu âm Sau khi gặp vật cản thì sóng siêu âm này sẽ được phản xạ lại sóng trả về dạng tín hiệu là thời gian trễ, tín hiệu này sẽ được gửi tới board Arduino UNO R3, qua một vài bước chuyển đổi và tính toán nhất định ta thu được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản tương ứng.

3. Ước lượng số lần đo.

Trên lý thuyết, sai s chu n SEM t l ngh ch vố ẩ ỉ ệ ị ới kích thước m u N: c ẫ ỡ m u càng l n, sai s chu n càng nh vì th ng kê s gẫ ớ ố ẩ ỏ ố ẽ ần hơn với giá trị thực t ế dựa trên công th c: ứ 𝑆𝐸𝑀 = 𝑆𝐷

√𝑁 Với: N là số sample

Trên thực tế, ta không thể ước lượng cũng như tính toán số lần đo cần thiết để đạt được độ sai số mong muốn dựa vào độ lệch chuẩn SD và sai số chuẩn SEM, bởi lẽ dựa trên công thức tính toán độ lệch chuẩn, ta thấy rằng nó phụ thuộc vào số lượng phép đo mà chúng ta cần biết Cho nên, để ước tính được số lượng phép đo cần thiết để đạt được độ chính xác mong muốn cho cảm biến thì nhóm sẽ đặt mặc định trước một số lượng phép đo (cụ thể là 30 lần cho mỗi thực nghiệm) rồi từ đó tính toán ra SD (chính là sai số) và SEM Vì thấy sai số tính toán lớn hơn sai số cần thiết của cảm biến thì cần tăng số lượng phép đo lên là 50 lần để tiếp tục phân tích Khi đã đạt được sai số chính xác mong muốn và kết quả mỗi lần đo hội tụ về một giá trị cụ thể thì đó chính là số lần cần thực hiện phép đo Cơ sở của phương pháp này chính là khi số lượng phép đo tiến đến vô cực thì sai số của cảm biến dần tiến đến 0 (đạt độ chính xác 100%).

III KẾT QUẢ ĐO

1. Đo 0 lần trong môi trường nước.5

Với những kết quả đo được từ thực nghiệm đo 50 lần trong môi trường nước, ta rút ra được các giá trị trung bình - trung vị phương sai độ lệch chuẩn và các giá - - trị Expanded Uncertainty được thể hiện trên Bảng 3.1 và Bảng 3.2:

Bảng 3.1 Giá trị trung bình, trung vị, phương sai, độ lệch chuẩn khi đo 50 lần trong môi trường nước

Bảng 3.2 Giá trị Expanded Uncertainty khi đo 50 lần trong môi trường nước

Bằng việc nhân giá trị Uncertainty type A với hệ số k = 1 ta thu được giá trị Standard Uncertainty, tương đương với 68.3% kết quả đo sẽ nằm trong khoảng (496.41 ± 0.35) Tương tự với hệ số k = 2 và k =3 ta thu được Expanded Uncertainty, tương đương với 95.4% kết quả đo nằm trong khoảng (496.41 0.7± ) và 99.7% kết quả đo nằm trong khoảng (496.41 1.05 ± ).

pg 13 Dưới đây là biểu đồ Histogram thể hiện tần suất xuất hiện của các kết quả đo (Hình 3.1):

Hình 3 1 Biểu đồ thể hiện kết quả đo 0 lần trong môi trường nước5

Khi đo 50 lần trong môi trường nước, giá trị khoảng khoảng cách xuất hiện thường xuyên nhất trong khoảng D = [496; 497] và tuân theo phân bố Gauss Ngoài những khoảng xuất hiện thường xuyên còn có một vài giá trị như D = 500, D = 501, D = 503 xuất hiện bất thường do tốc độ sóng siêu âm trong nước khác biệt so với trong không khí Ngoài ra, Nước có khả năng giảm dao động nhanh hơn so với không khí Điều này có thể ảnh hưởng đến sự phản xạ và đo lường chính xác của cảm biến, đặc biệt là khi nước có nhiều tạp chất hay có nhiều sóng và nước có khả năng hấp thụ âm tốt hơn so với không khí Sự hấp thụ này có thể làm giảm sức mạnh của sóng siêu âm và ảnh hưởng đến khả năng cảm biến đo khoảng cách

2. Đo 50 lần trong môi trường không khí

Với những kết quả đo được từ thực nghiệm đo 50 lần trong môi trường không khí, ta rút ra được các giá trị trung bình trung vị phương sai độ lệch chuẩn và - - - các giá trị Expanded Uncertainty được thể hiện trên Bảng 3.3 và Bảng 3.4:

Bằng việc nhân giá trị Uncertainty type A với hệ số k = 1 ta thu được giá trị Standard Uncertainty, tương đương với 68.3% kết quả đo sẽ nằm trong khoảng (497.75 ± 0.27) Tương tự với hệ số k = 2 và k =3 ta thu được Expanded Uncertainty với 95.4% kết quả đo nằm trong khoảng (497.75 0.54± ) và 99.7% kết quả đo nằm

pg 15 Ngoài những khoảng xuất hiện thường xuyên còn có một vài giá trị như D = 498 và D trong khoảng [500; 502] xuất hiện bất thường do nhiễu tác động một phần đến thời gian trễ làm cho khoảng cách có sự biến động nhỏ

3. Đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao

Với những kết quả đo được từ thực nghiệm đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao, ta rút ra được các giá trị trung bình trung vị phương sai độ lệch chuẩn và - - - các giá trị Expanded Uncertainty được thể hiện trên Bảng 3.5 và Bảng 3.6:

Bảng 3 6 Giá trị Expanded Uncertainty khi đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao

Bằng việc nhân giá trị Uncertainty type A với hệ số k = 1 ta thu được giá trị Standard Uncertainty, tương đương với 68.3% kết quả đo sẽ nằm trong khoảng (492.76 ± 0.83) Tương tự với hệ số k = 2 và k =3 ta thu được Expanded Uncertainty với 95.4% kết quả đo nằm trong khoảng (492.76 1.66) và 99± 7% kết quả đo nằm trong khoảng (492.76 2.49) ±

Dưới đây là biểu đồ Histogram thể hiện tần suất xuất hiện của các kết quả đo (Hình 3.3):

Hình 3 3 Biểu đồ thể hiện kết quả đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao Khi đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao, giá trị khoảng cách xuất hiện biến động bất thường trong 2 khoảng D = [485;495] và [502;505].Nguyên nhân lớn nhất ở đây là do khi ở nhiệt độ cao sẽ làm lệch hướng sóng Cụ thể, tốc độ sóng siêu âm thay đổi: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ sóng siêu âm trong không khí Nếu cảm biến không được hiệu chỉnh để cập nhật tốc độ sóng theo nhiệt độ, có thể gây ra sai số trong đo lường khoảng cách Ngoài ra, nhiệt độ cao còn làm giảm độ ổn định hiệu suất và gây mất mát năng lượng trong cảm biến

IV ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO

1 True Value.

Bằng cách sử dụng thước đo kỹ thuật có độ chính xác cao ta đã thu được True Value của khoảng cách đo như Hình 4.1, cụ thể giá trị D = 500 mm

pg 17 Hình 4 1 True Value của khoảng cách

Từ giá trị True Value ta tính được sai số của các phép đo Đo 50 lần trong môi trường nước có sai số như sau (Bảng 4.1):

Đo 50 lần trong môi trường không khí có sai số như sau (Bảng 4.2):

Đo 50 lần trong điều kiện nhiệt độ cao có sai số như sau (Bảng 4.3):

2. Nhận xét.

Qua 3 thực nghiệm trên ta nhận thấy kết quả đo gần với True Value Trong đó phép đo 50 lần trong điều kiện môi môi trường không khí là chính xác nhất với mức sai số tương đối là 4.5 × 10−3, thấp hơn xấp xỉ 3 lần so với mức sai số tương đối 2-của 2 phép đo còn lại Từ đó, ta có thể kết luận rằng điều kiện từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tương đối lớn đến độ chính xác của kết quả đo

Ngoài ra, khi nhóm thử nghiệm đo 30 lần bên ngoài rồi so sánh với lại giá trị đo được khi đo 50 lần trong môi trường không khí, cho ra được kết quả đo ở 50 lần có kết quả sát nhất

⇒ Kết quả đo sẽ chính xác hơn khita lặp lại phép đo nhiều lần, khi đó kết quả đo được sẽ được hội tụ về một giá trị với sai số có thể chấp nhận được Bên cạnh đó, nó chịu ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố nhiễu từ môi trường Kết quả đo trên tuy còn tồn tại những sai số nhưng vẫn có thể chấp nhận được với khoảng cách thực tế 3 Nguyên nhân

Sai số sinh ra có thể do các yếu tố như: ảnh hưởng từ môi trường như đô ẩm, nhiệt độ gây nhiễu Cụ thể, sóng siêu âm bị nhiễu do gợn sóng hoặc các tạp chất có trong nước (Ví dụ khi đo trong 1 bồn nước) khi có gợn sóng thì tất nhiên sóng

pg 19 gợn sóng nước càng cao bao nhiêu thì độ sai số siêu âm đo được lớn bấy nhiêu.Nhiệt độ hoặc áp suất cao cũng là 1 trong những nguyên nhân gây sai số (Ví dụ trong trường hợp của nhóm khi đặt cảm biến bên trên nồi hơi) thì lượng hơi nước bay lên, cùng nhiệt độ lớn phát ra từ nồi hơi, bám vào đầu phát sóng gây ảnh hưởng đến kết quả đo so với thực tế Ngoài ra, sai lệch do chất lượng cảm biến và khoảng cách đo; sai lệch cũng có thể do làm tròn trong quy đổi giá trị thời gian trễ sang khoảng cách đo lường, …

4. Cách khắc phục.

Để khắc phục những sai số còn tồn tại, ta có thể:

● Đảm bảo rằng môi trường xung quanh cảm biến không có yếu tố nào gây ảnh hưởng đến hoạt động của nó Đôi khi, các vật thể lớn, tiếng ồn, hoặc điều kiện thời tiết cũng có thể gây ra sai số

● Nếu có thể, điều chỉnh vị trí hoặc hướng cảm biến để tránh các vật thể phản xạ âm thanh làm ảnh hưởng đến chính xác của nó

● Nếu sai số là kết quả của việc cảm biến bị hỏng hoặc không hoạt động chính xác, có thể cần phải kiểm tra lại cảm biến và thực hiện việc hiệu chuẩn lại nó

● Có các giải pháp công nghệ như việc sử dụng nhiều cảm biến để kiểm tra và so sánh dữ liệu từ chúng, sử dụng thuật toán để lọc dữ liệu và loại bỏ nhiễu, hoặc thậm chí là sử dụng cảm biến thông minh có khả năng tự điều chỉnh để giảm thiểu sai số.