BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        ðINH THẾ HẢI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO KHOẢNG CÁCH SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số: 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH Hà Nội – 2012 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học nào trước ñó. Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả ðinh Thế Hải Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, trường ðại học Bách khoa Hà Nọi Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật với ñề tài: “ Thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại”. Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TSKH Trần Hoài Linh ñã tận tình hướng dẫn và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa cơ ñiện, Viện sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn. Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng viên khích lệ ñể hoàn thành luận văn này. Hoà Bình , tháng 9 năm 2012 Tác giả ðinh Thế Hải Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iii môc lôc MỞ ðẦU 1 1. ðặt vấn ñề 1 2. Nội dung nghiên cứu 1 2.1. Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch phần cứng hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng gồm: 2 2.2. Xây dựng phần mềm cho thiết bị bởi các chức năng sau: 2 2.3. Tìm hiểu về các cảm biến ño khoảng cách bằng siêu âm 2 2.4. Tìm hiểu về một số cảm biến ño khoảng cách bằng hồng ngoại 3 3. Phương pháp nghiên cứu 4 4. Phạm vi ứng dụng 4 5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn 4 Chương I: GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ðO KHOẢNG CÁCH VÀ MỘT SỐ CÁC CẢM BIẾN ðO KHOẢNG CÁCH 7 1.1. Bài toán ño khoảng cách 7 1.2. ðo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm 8 1.2.1. Sơ ñồ nguyên lý chung 9 1.2.2. Nguyên lý ño 9 1.2.3. Tầm quét của cảm biến siêu âm 10 1.2.4. Thông số của một số loại cảm biến siêu âm 11 1.3. ðo khoảng cách bằng cảm biến hồng ngoại và lựa chọn của ñề tài 11 1.3.1. Vật liệu và tia hồng ngoại 11 1.3.2. Cơ sở vật lý 12 1.3.3. Một số loại cảm biến hồng ngoại 12 1.3.4. Cảm biến hồng ngoại GP2D12 13 Chương II: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH BẰNG CẢM BIẾN ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC 18 2.1. Lý do lựa chọn giải pháp 18 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv 2.2. Nguyên lý chung phối hợp cảm biến khoảng cách với giá ñỡ dịch chuyển 19 2.2.1. Nguyên lý phần cơ khí 20 2.2.2. Nguyên lý phần ðiện ñiều khiển 21 Chương III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO KHOẢNG CÁCH VỚI ðẦU ðO DỊCH CHUYỂN ðƯỢC 25 3.1. Sơ ñồ khối và chức năng các khối 25 3.1.1. Sơ ñồ khối 25 3.1.2. Chức năng các khối 25 3.2. Lựa chọn và thiết kế khối Vi xử lý trung tâm 26 3.2.1. Tổng quan về vi ñiều khiển 26 3.2.2. ðánh giá các dòng vi ñiều khiển PIC 26 3.2.3. Vi ñiều khiển PIC16F886 27 3.3. Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến và ADC 33 3.3.1. Khối cảm biến 33 3.3.2. Chuyển ñổi ADC 34 3.4. Lựa chọn và thiết kế khối ñiều khiển ñộng cơ bước 38 3.4.1. ðộng cơ bước 38 3.4.2. Mạch ñiều khiển ñộng cơ bước 40 3.5. Lựa chọn và thiết kế khối LCD 41 3.6. Lựa chọn và thiết kế khối các phím ñiều khiển 43 3.6. Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông RS-232 44 3.7. Các khối khác trong hệ thống 46 3.7.1. Khối nguồn 46 3.7.2. Khối công tắc hành trình 46 3.7.3. Khối còi tín hiệu 47 3.8. Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 48 3.8.1. Mạch nguyên lý tổng thể 48 3.8.2. Các khối trong sơ ñồ và phần mềm thiết kế 49 3.8.3. Thuật toán hoạt ñộng 50 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v 3.9. Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý 51 3.9.1. Tổng quan về CCS 51 3.9.2. Giới thiệu về CCS 52 3.9.3. Giao diện của CCS 52 3.10. Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC 58 Chương IV: CÁC KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 59 4.1. Mạch phần cứng 59 4.1.1. Mạch phần cứng phần ñiện 59 4.1.2. Mạch phần cứng cơ khí 62 4.2. Phần mềm vi xử lý 64 4.2.1. File Project (main.Pjt) 65 4.2.2. File.c (main.c) 65 4.2.3. File *.h 65 4.2.4. Cài ñặt khoảng cách ño của cảm biến 68 4.2.5. Kết luận 69 4.3. Phần mềm tích hợp trên PC 69 4.3.1. Cài ñặt cáp với PC 69 4.3.3. Thao tác kết hơp Terminal với Hệ thống ño và PC 69 4.4. Các kết quả thử nghiệm 71 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 72 1. Kêt luận 72 2. ðề nghị 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi danh môc b¶ng Bảng 1.1. Thông số của một số cảm biến siêu âm 11 Bảng 2.1: Giá một số cảm biến ño khoảng cách thông dụng 18 Bảng 3.1: Mô tả chức năng các chân của vi ñiều khiển PIC16F886 29 Bảng 3.2: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã 36 Bảng 3.3: Các chân và chức năng trên ñầu nối cổng loại 9 chân 45 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii Danh môc h×nh Hình 1.1: Sơ ñồ bài toán ño khoảng cách 7 Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý chung cảm biến siêu âm 9 Hình 1.3: Nguyên tắc TOF của cảm biến siêu âm 9 Hình 1.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm 10 Hình 1.5: Hình ảnh của GP2D12 13 Hình 1.6: Sơ ñồ khối nội bộ của GP2D12 13 Hình 1.7: Giản ñồ trạng thái của GP2D12 14 Hình 1.8: Khác góc và khác khoảng cách 15 Hình 1.9: Tín hiệu ra 15 Hình 1.10: ðường cong quan hệ giữa khoảng cách và mức ñiện áp ra của GP2D12 16 Hình 1.11: Một cách bố trí cảm biến 16 Hình 1.12: Tăng góc quay quan sát của cảm biến 17 Hình 1.13: Bố trí tụ lọc giữa output và ground của GP2D12 17 Hình 2.1: Nguyên lý chung phần cơ khí 20 Hình 2.2: Kết cấu cơ khi bánh răng và thanh răng 21 Hình 2.3: Kết cấu giữa trục ñỡ và thanh ray 21 Hình 2.4: Tính toán chiều khoảng cách dịch chuyển 22 Hình 2.5: Vị trí ban ñầu của hệ thống ño 23 Hình 2.6: Xác ñịnh khoảng cách ño 24 Hình 3.1: Sơ ñồ khối và các khối chức năng thiết bị ño 25 Hình 3.2: Sơ ñồ chân vi ñiều khiển PIC16F886 27 Hình 3.3: Cấu trúc vi ñiều khiển PIC16F886 28 Hình 3.4: Sơ ñồ thiết kế mạch vi xử lý trung tâm 32 Hình 3.5. Sơ ñồ khối cảm biến 33 Hình 3.6. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh 35 Hình 3.7: Analog và digital của hàm sin. 37 Hình 3.8: ðộng cơ bước nam châm vĩnh cửu 6 ñầu dây ra 38 Hình 3.9: Sơ ñồ mạch ñiều khiển ñộng cơ bước 40 Hình 3.10: Sơ ñồ khối bên trong IC L293D 40 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… viii Hình 3.11: Hình ảnh IC L293D 41 Hình 3.12: Thiết kế khối LCD 42 Hình 3.13: Nút bấm SW1 43 Hình 3.14: Nút bấm SW2 43 Hình 3.15: Nút bấm SW3 43 Hình 3.16: Khối truyền thông RS232 44 Hình 3.17. Khối nguồn 46 Hình 3.18. Khối công tắc hành trình 46 Hình 3.19. Khối còi tín hiệu 47 Hình 3.20: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị 48 Hình 3.21: Tab General trong giao diện CCS 53 Hình 3.22: Tab Communications trong giao diện CCS 54 Hình 3.23: Tab SPI and LCD trong giao diện CCS 55 Hình 3.24: Tab Timer trong giao diện CCS 55 Hình 3.25: Tab Analog trong giao diện CCS 56 Hình 3.26: Tab “Other” trong giao diện CCS 56 Hình 3.27: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57 Hình 3.28: Tab Interrupts trong giao diện CCS 57 Hình 4.1. Thiết kế của mạch in mặt phía trên (a) và mặt phía dưới (b) 59 Hình 4.2. Mạch in hình thiết bị mặt trên 60 Hình 4.3. Mạch in hình thiết bị cả mặt trên và mặt dưới 60 Hình 4.5. Mạch in 3D 61 Hình 4.6. Ảnh mạch ñiện phần cứng hoàn thiện 61 Hình 4.7. Màn hình LCD 16x2 sau khi ñã kết nối với phần cứng mạch ñiện 62 Hình 4.8. Kết cấu giữa ñộng cơ bước và thanh răng 63 Hình 4.9. Kết cấu giữa thanh răng và máng trượt 63 Hình 4.10. Ảnh tổng thể thiết bị mặt trước 64 Hình 4.11. Ảnh tổng thể thiết bị mặt bên 64 Hình 4.12. Khởi ñộng Terminal 70 Hình 4.12. Chọn cổng COM và connect 70 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 1 MỞ ðẦU 1. ðặt vấn ñề Vấn ñề ño khoảng cách trong thực tế hiện nay có rất nhiều phương pháp ño và cách ño khác nhau. Việc thiết kế hệ thống ño khoảng cách một cách tự ñộng là một trong những phương pháp ño ñược ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến hiện nay, nhưng vẫn phải ñảm bảo ñược các yêu cầu như ñộ chính xác, linh hoạt, ñảm bảo ñược yêu cầu về ứng dụng trong lĩnh vực cần ño. Ngoài ra còn phải phù hợp với bài toàn kinh tế ñối với thiết bị khi lựa chọn và thiết kế. Chính vì thế ở ñây tôi ñề xuất việc thiết kế chế tạo một hệ thống ño khoảng cách sử dụng “Cảm biến hồng ngoại” tích hợp trên một cơ cấu chuyển ñộng có thể ñiều khiển ñược, với mục ñích ño khoảng cách và tăng khoảng cách ño ñể giảm giá thành của thiết bị ño. Tôi rất trân trọng cảm ơn PGS-TSKH Trần Hoài Linh ñã trực tiếp, nhiệt tình chỉ bảo hướng dẫn ñể tôi thực hiện ñề tài này một cách có hiệu quả trong quá trình thiết kế và triển khai ñề tài. 2. Nội dung nghiên cứu Thực tế trên thị trường nước ta hiện nay có rất nhiều hệ thống ño khoảng cách như phát hiện chướng ngại vật, ño mức chất lỏng v.v… ñặ biệt là các thiết bị ño nhỏ và gọn có thể di chuyển lắp ñặt ở các vị trí ñịa ñiểm cần ño và kiểm tra trong quá trình thực hiện. Mặc dù vậy cũng có một số giải pháp và các công nghệ ño ñưa ra ñể áp dụng vào thiết bị ño trong thời ñiểm hiện nay còn một số hạn chế nhất ñịnh như: – Khoảng cách ño hạn chế – Giá thành sản phẩm khá cao khi mở rộng khoảng cách ño Thực tế ñặt ra nhiệm vụ thiết kế, chế tạo hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại tích hợp trên cơ cấu chuyển ñộng có thể ñiều khiển ñược ñể nhằm ñáp ứng ñược những vấn ñề trên và nhu cầu thực tế hiện nay. Các nhiệm vụ ñặt ra trong luận văn [...]... ng cách càng xa thì giá thành càng l n Mu n th c hi n vi c ño kho ng cách l n nhưng v n ñ m b o ñư c bài toán kinh t là dùng các c m bi n có kho ng cách c m nh n nh , ta ñưa ra bài toán và m t gi i pháp tích h p ñ u ño c a c m bi n trên m t cơ c u d ch chuy n có th ñi u khi n ñư c ñ tăng kho ng cách c m nh n Sơ ñ bài toán ño kho ng cách Hình 1.1: Sơ ñ bài toán ño kho ng cách trong ñó: d1 - kho ng cách. .. kho ng cách t thi t b ño ñ n c m bi n khi h th ng v trí ban ñ u Kho ng cách cài ñ t c a c m bi n trong kho ng t 10cm ñ n 60cm N u h th ng ñang v trí ban ñ u mà ñ i tư ng ñ t trong ph m vi kho ng cách nh hơn kho ng cách cài ñ t (kho ng cách cài ñ t = 10cm-60cm) so v i v trí c a c m bi n thì tr c ñ s không chuy n ñ ng mà t ñ ng ñ c k t qu ño, là t ng kho ng cách: d = d 21 + d1 v i: d21 – kho ng cách t... ño kho ng cách theo yêu c u c a lu n văn ñ m b o tăng ñư c kho ng cách ño và bài toán kinh t Trong chương II g m các n i dung sau: – Bài toán ño kho ng cách – ðo kho ng cách b ng c m bi n siêu âm Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 4 – ðo kho ng cách b ng c m bi n h ng ngo i và l a ch n c a ñ tài Chương II (Phân tích gi i pháp thi t b ño kho ng cách b ng... t k ño kho ng cách k t h p v i các b ñi u khi n l p trình như PLC,Vi x lý… nhưng cũng tuỳ thu c vào t ng ñ i tư ng ño, ñi u ki n ño và bài toán kinh t ta có th l a ch n c m bi n tương ng mà v n ñ m b o ñư c yêu c u v bài toán ño kho n cách N u ño v i kho ng cách nh , ñơn gi n, ta có th l a ch n ño kho ng cách b ng c m bi n ñi n tr , c m bi n ñi n c m ho c c m bi n ñi n dung ð ño kho ng cách l n hơn,... 10cm ÷ 80cm Cách ño ñ c và ñư c kích ho t b i m t ñ ng h bên ngoài Dòng ON ~25mA, dòng OFF~2 A • GP2D05: Tín hi u ra 0 ho c 1 d a trên ngư ng kho ng cách t xa T m ño 10cm ÷ 80cm ñi u ch nh ngư ng tích h p v i ñi n th nh Cách ño ñ c và ñư c kích ho t b i m t ñ ng h bên ngoài Dòng ON ~25mA, dòng OFF ~2 A • GP2D12: Tín hi u ra d ng Analog (0V÷~3V) d a trên kho ng cách ño T m ño 10cm ÷ 80cm Cách ño ñ c... kho ng cách c m nh n c a c m bi n, d2 - kho ng cách xác ñ nh gián ti p t v trí ñ ng cơ bư c (kho ng cách t v trí c a ñ ng cơ bư c t i c m bi n, cũng là v trí t thi t b ño t i v trí c a c m bi n) Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 7 Kho ng cách mà c m bi n xác ñ nh và tr v k t qu là kho ng cách d1 khi ñó kho ng cách t thi t b ño t i ñ i tư ng ño là d1+d2 C... thông s kho ng cách ñã th c hi n Trong chương V g m các n i dung sau: – M ch ph n c ng – Ph n m m Vi x lý – Ph n m m tích h p trên PC – Các k t qu th nghi m * K t lu n và ñ ngh : Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 6 Chương I: GI I THI U V BÀI TOÁN ðO KHO NG CÁCH VÀ M TS CÁC C M BI N ðO KHO NG CÁCH 1.1 Bài toán ño kho ng cách Các c m bi n ño kho ng cách nói chung... thi t b ño d1 - kho ng cách ño ñư c t c m bi n t i ñ i tư ng N u h th ng ñang v trí ban ñ u mà ñ i tư ng ñ t bên ngoài ph m vi v i kho ng cách cài (kho ng cách cài ñ t = 10cm-60cm) ñ t thì tr c ñ s chuy n ñ ng Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 23 t nh ti n t i khi c m bi n c m nh n kho ng cách t v trí c a nó t i ñ i tư ng b ng kho ng cách cài ñ t thì tr c... ñ thi t k V y t nh ng lý do trên, trong lu n văn tôi l a ch n gi i pháp ñưa ra nguyên lý thi t k ph i h p c m bi n ño kho ng cách v i m t giá ñ d ch chuy n ñ tăng kho ng cách ño 2.2 Nguyên lý chung ph i h p c m bi n kho ng cách v i giá ñ d ch chuy n T sơ ñ bài toán ño kho ng cách, ta tri n khai xây d ng h th ng v i các sơ ñ nguyên lý v ði n và v Cơ khí như sau: Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu... • GP2D15: Tín hi u ra dư i d ng s Digital (0 ho c 1) T m ño khi ch t o c m bi n này giá tr cài ñ t kho ng cách là 24cm Cách ño ñ c liên t c giá tr ño v i th i gian là ~38ms m i l n ñ c Dòng ON ~25mA Kho ng cách c m nh n c a các thi t b ño ph thu c vào các c m bi n, m i m t c m bi n có m t kho ng cách c m nh n khác nhau Thông thư ng các c m bi n h ng ngo i có m t b phát và m t b thu b ng h ng ngo i Khi . - Sử dụng các thiết bị trong quá trình thiết kế nghiên cứu thực tế từng thiết bị cụ thể ñể thống nhất trong quá trình kết nối - Xây dựng thiết kế hệ thống ño khoảng cách sử dụng cảm biến hồng. cảm biến ñiện cảm hoặc cảm biến ñiện dung. ðể ño khoảng cách lớn hơn, sử dụng cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại. Với các cảm biến có khả năng ño khoảng cách càng xa thì giá. các thiết bị ño như sử dụng các cảm biến sau: – Cảm biến ñiện cảm • Cảm biến ñiện cảm dùng con chạy cơ học • Cảm biến ñiện cảm không dùng con chạy cơ học – Cảm biến ñiện dung • Cảm biến