Nghiên cứu ,thiết kế bộ đo khoảng cách bằng sóng siêu âm ứng dụng vi điều khiển

59 1.6K 38
Nghiên cứu ,thiết kế bộ đo khoảng cách bằng sóng siêu âm ứng dụng vi điều khiển

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Nghiên cứu ,thiết kế bộ đo khoảng cách bằng sóng siêu âm ứng dụng vi điều khiển

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, với thành quả là hàng loạt các phát minh, các vật liệu mới ra đời, một trong số các thành tựu nổi bật phải nói đến là việc phát hiện và ứng dụng sóng siêu âm vào đời sống, đặc biệt là trong lĩnh vực y khoa và thẩm mỹ với đại diện là các thiết bị siêu âm, các máy tẩy rửa,… ngoài ra siêu âm còn thể hiện sự ưu việt của mình trong lĩnh vực đo lường, kiểm định chất lượng sản phẩm, an ninh… với các thiết bị đo khoảng cách, vận tốc, các thiết bị cảnh báo, dò khuyết tật…để tìm hiểu thêm về một lĩnh vực mới và đa năng này em đã lựa chọn đề tài “Máy đo khoảng cách ứng dụng sóng siêu âm” làm đề tài đồ án tốt nghiệp của mình. Những kiến thức và năng lực đạt được trong suốt quá trình học tập tại trường sẽ được đánh giá trong đồ án tốt nghiệp này. Vì vậy em sẽ cố gắng tận dụng tất cả những kiến thức đã học cùng với kinh nghiệm tìm tòi nghiên cứu qua các đồ án môn học để có thể hoàn thành tốt đồ án này. Mặc dù chúng em rất cố gắng để hoàn thành tập đồ án này đúng thời hạn, nhưng không tránh khỏi những thiếu sót mong quí thầy cô thông cảm. Em mong được đón nhận những ý kiến đóng góp. Cuối cùng em xin cảm ơn quí thầy cô và các bạn sinh viên. Sinh viên thực hiện ; Trần Hữu Chung 1 NhËn xÐt cña gi¸o viªn híng dÉn  Nam §Þnh, Ngµy th¸ng n¨m 2011 2 Nhận xét của giáo viên phản biện Nam Định, Ngày tháng năm 2011 3 Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường ĐH sư phạm kĩ thuật nam định Độc lập-Tự do- Hạnh phúc …….*o0o*……. Họ và tên : Trần Hữu Chung MSSV : 08GC720011 Lớp : CK ĐĐT 11 Ngành : Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Khóa : 2008 - 2011 Tên Đề Tài : Nghiên cứu ,thiết kế bộ đo khoảng cách bằng sóng siêu âm ứng dụng vi điều khiển 1.Các số liệu ban đầu : ……………………………………………………………………………. 2.Nội dung các phần thi công và tính toán : ……………………………………………………………………………. 3.Các bản vẽ : - Các bản vẽ cần thiết để thuyết trình . GVHD : Th.s Trần Hiếu Nam Định Ngày … tháng… năm .2011 4 Phần I : Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ. Ngành điện tử đã đóng góp rất nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống, đánh dấu bước nhảy vọt về khoa học kỹ thuật trong thế giới hiện đại. Những tiến bộ này đã tạo nên những sản phẩm mang đầy trí tuệ sáng tạo của con người. Trong sự phát triển khoa học đó, ngành siêu âm cũng ra đời đã đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển này. Sự kết hợp giữa lĩnh vực điện tử và kỹ thuật siêu âm đã cho ra những sản phẩm kỹ thuật ứng dụng rất phong phú trong công nghiệp, nông nghiệp, quân sự, y học… Vì vậy nghiên cứu về lĩnh vực siêu âm điều quan trọng để làm nền tảng cho các kỹ thuật tiến bộ sử dụng lĩnh vực siêu âm và làm tài liệu tham khảo cho những bạn sinh viên sau này để sáng tạo ra những ứng dụng kỹ thuật mới và tiến bộ hơn. 1.2 Giới hạn đề tài Có rất nhiều những ứng dụng của kỹ thuật siêu âm trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên người làm đề tài không thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật siêu âm. Người làm đề tài có thể tìm hiều những vấn đề cơ bản của kỹ thuật siêu âm như sau: + Sơ lược về sóng siêu âm. + Các ứng dụng cơ bản của sóng siêu âm. + Khảo sát mạch đo khoảng cách bằng sóng siêu âm. 1.3 Mục đích nghiên cứu Để tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật siêu âm, ta phải tiến hành khảo sát mạch ứng dụng cụ thể vào thực tế. Khi làm thực tế sẽ tiếp xúc được nhiều kinh nghiệm trong quá trình khảo sát, mở rộng kiến thức về ứng dụng siêu âm và củng cố được các kiến thức cơ bản của kỹ thuật điện tử. 1.4 Đối tượng nghiên cứu Do thời gian có hạn nên người nghiên cứu không thể giới thiệu được hết các ứng dụng của siêu âm. Trong thời gian ngắn chỉ có thể tham khảo những điều cơ bản của kỹ thuật siêu âm. Vì vậy, đối tượng để nghiên cứu chủ yếu là những vấn đề của kỹ thuật siêu âm mà cụ thể là khảo sát mạch đo khoảng cách dùng sóng siêu âm. 1.5 Giả thiết nghiên cứu Việc đo khoảng cách bằng sóng siêu âm này chưa được khả thi lắm. Vì vận tốc truyền của sóng siêu âm trong mỗi chất liệu là khác nhau. 1.6 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 5 Phương pháp tham khảo tài liệu: Tham khảo và chọn lọc các tài liệu để rút ra các kiến thức có liên quan để tổng hợp đưa vào đồ án. - Phương tiện: tạp chí điện tử; các sách kỹ thuật chuyên môn… Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện thi công trực tiếp mạch điện để từ đó có thể rút ra các kinh nghiệm thực tế và các quy trình thực hiện để có kết quả chính xác đưa vào đề tài. - Phương tiện: các dụng cụ liên quan phục vụ cho quá trình thi công. 6 Phần II : Nội dung đề tài . Chương 1 : Nghiên cứu hệ thống đo khoảng cách . 1.1 Tổng quan về sóng siêu âm 1.1.1 Khái niệm - Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua – lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng. - Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm. + Ví dụ 1: Tác động một lực làm rung lên âm thoa, gây ra cho các phân tử trong không khí bị nén lại hay dãn ra tùy theo hướng chuyển động của âm thoa, phân tử đầu tiên bị tác động sẽ ảnh hưởng đến phân tử kế tiếp . . . và cứ thế mà có sự lan truyền sóng ra mọi hướng (và cũng nhờ thế mà tai người ở bất kỳ vị trí nào xung quanh âm thoa đều nghe được âm vang của âm thoa). Hiện tượng này tương tự như khi ta thả một viên sỏi vào giữa lòng hồ đang lặng sóng, viên sỏi sẽ tạo ra những gợn sóng có hình dạng các vòng tròn đồng tâm lan tỏa ra xung quanh mà tâm của chúng là vị trí mà viên sỏi rơi xuống hồ nước. + Ví dụ 2: Đánh vào mặt trống; tác động dòng điện làm rung màng loa; đạn bay trong không khí. Các đại lượng đặc trưng của sóng : - Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất. 7 Hình 1.1 : Dao động của sóng siêu âm Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm: o Chu kỳ T = (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn. o Tần số f = (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây. o Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn vị thời gian o Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau. 1.1.2 Phân loại 1.1.2.1 Phân loại theo phương dao động Dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra làm hai loại: sóng dọc và sóng ngang. o Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng. Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng. Tính chất này chỉ có ở vật rắn. o Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng. Sóng dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó truyền được trong các vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí. 1.1.2.2 Phân loại theo tần số - Sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính. 8 o Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16 Hz. Ví dụ: sóng địa chấn. o Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz o Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng … Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz. Sóng siêu âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz. 1.1.3 Lịch sử phát triển của sóng siêu âm - Được biết đến là cha đẻ của siêu âm, Sergei Y. Sokolov, nhà khoa học nổi tiếng của Liên Xô tại VI Ulyanov (Lenin) Viện Kỹ thuật Điện, Leningrad sinh năm 1897 tại thành phố cùng tên của nước Nga. Ông đưa ra ý tưởng vào năm 1928, và một vài năm sau đó đã chứng minh kỹ thuật truyền qua để phát hiện khuyết tật trong kim loại. Ông cải tiến ý tưởng của mình trong cuối những năm 1920, thời điểm những công nghệ cần thiết như vậy không tồn tại. Ông đề xuất rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng để phát hiện tính không đồng nhất trong chất rắn như kim loại. - Cùng với những khám phá ban đầu về siêu âm, các công trình nghiên cứu sâu rộng nhằm phát hiện khuyết tật trong các kim loại đã được tiến hành tại Đức vào đầu những năm 1930. Năm 1933, O Muhlhauser được cấp bằng sáng chế cho hệ thống truyền năng lượng siêu âm vào chi tiết kiểm tra, phát hiện khuyết tật không đồng nhất bằng sử dụng bộ biến đổi siêu âm-điện thứ cấp. Năm 1935 Sokolov công bố chi tiết các thiết kế thử nghiệm máy phát thạch anh, phương pháp cặp ghép nối máy phát điện với các bộ phận kiểm tra nhằm đạt được năng lượng truyền đến tối đa, và nhiều phương pháp phát hiện năng lượng siêu âm sau khi truyền qua các tiết kiểm tra. Ông đề xuất khái niệm ‘máy chụp ảnh siêu âm’ đầu tiên chứa hình ảnh thực thu nhận của một khuyết tật. Ông cho biết rằng bằng cách sử dụng sóng âm với tần số 3000 MHz, độ phân giải thu được có thể bằng độ phân giải của các kính hiển vi quang học. Phương pháp của ông đã sử dụng một bộ chuyển đổi nhận tín hiệu áp điện lớn khi điện tích tạo ra bởi các tín hiệu âm thanh đến ở trạng thái cô lập. Bề mặt của bộ chuyển đổi sau đó được quét bởi tiếp xúc cơ học hoặc khoảng cách, xây dựng “hình ảnh” của khuyết tật này. Độ phân giải của các thiết bị thí nghiệm mà ông đã chế tạo được tuy nhiên không đủ tốt để được sử dụng ở mức độ thực tế. Tại Đức, năm 1936, Raimar Pohlman đã phát triển một phương pháp tạo ảnh siêu âm dựa trên sự truyền qua sử dụng ống truyền sóng âm và chuyển đổi hình ảnh kết quả sóng thanh thành hình ảnh quan sát được trong cùng một 9 thể tích dò. Tại Đức, thiết bị chuyển đổi hình ảnh của ông được biết đến như là “tế bào Pohlman”. Được sử dụng rộng rãi vào gần cuối giai đoạn chiến tranh thế giới II tại Đức khi thử nghiệm vật liệu siêu âm đã trở nên cần thiết trong việc lựa chọn đạn dược để bảo vệ pháo phòng không của Berlin. Pohlman đã thực hiện thực nghiệm theo các tuyến tương tự với sự truyền siêu âm qua kim loại có khuyết tật, nhưng đã sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác với phương pháp phát hiện chùm tia nhận được. Máy dò của ông đình chỉ sử dụng một miếng nhôm dạng bông tuyết trong xylen kín đựng trong một vỏ trong suốt. Chùm siêu âm nhận được từ mẫu thí nghiệm tác động lên miếng nhôm hình bông tuyết khiến chúng tự sắp xếp bình thường theo hướng chùm siêu âm.Trong trường hợp có khuyết tật xuất hiện trong vật liệu khi thử nghiệm, các vùng tối sẽ được thay thế tại vị trí các bông tuyết duy trì định hướng ban đầu của chúng. Những người có đóng góp quan trọng, Floyd Firestone, Donald Sproule và Adolf Trost không hề biết đến nhau như thể họ làm việc trong bí mật vậy. Kể cả các ứng dụng bằng sáng chế của họ đã được công bố. Sproule và Trost sử dụng công nghệ truyền qua với các đầu dò truyền và nhận siêu âm hoàn toàn riêng biệt. Trost phát minh ra cái gọi là “Trost- Tonge”. Hai đầu dò được nối theo hướng đối diện với tấm, đặt trên cùng một trục bằng một thiết bị cơ khí - the tonge - và tạo cặp kết hợp với cả hai mặt bằng dòng nước chảy liên tục. Sproule đặt 2 đầu dò trên cùng một phía của vật. Vì vậy, ông đã phát minh ra máy dò tinh thể kép. Ông đã sử dụng sự kết hợp này cũng với các khoảng cách khác nhau từ chúng. Firestone là người đầu tiên nhận ra kỹ thuật phản xạ. Ông sửa đổi một thiết bị radar và phát triển một máy phát có các xung ngắn và bộ khuếch đại với vùng ngưng ngắn (dead zone). Sproule cuối cùng đã từ bỏ phương pháp truyền qua và nộp một bằng sáng chế vào năm 1952 mang tên “những cải tiến trong/hoặc liên quan đến thiết bị phát hiện khuyết tật và đo vận tốc bằng phương pháp siêu âm vọng”. 1.2 Hệ thống đo khoảng cách 1.2.1 Các phương pháp đo khoảng cách truyền thống 1.2.1.:Phương pháp đo bằng thước - Trong trường hợp không cần độ chính xác cao người ta có thể đo bằng cách đếm bước. Mỗi bước chân của người bình thường cách nhau 0,7m. Cách đo này có độ chính xác rất thấp. Do đó trong mọi trường hợp đều cần có thước gỗ hay thước thép (dây) để đo. - Thước thép (dây) thông thường dài 25m dùng kèm với một bộ 11 que sắt. Khi đo cần có hai người thao tác. Người đi sau cầm đầu thước có vạch 0m, dùng que sắt giữ chặt đầu thước sao cho vạch 0m của thước trùng với điểm đầu cần đo. Người đi trước cầm 10 que sắt và cắm que sắt tại vạch 25m đều 10 [...]... dài xung tỉ lệ với khoảng cách từ sensor tới vật Nếu đo được khoảng thời gian kéo dài xung phản xạ ta hoàn toàn có thể đo được khoảng cách tới vật 1.2.2 Phương pháp đo khoảng cách ứng dụng + ) Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm : - Loại sensor này phát ra xung siêu âm Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm vi c của sensor sẽ xuất hiện sóng phản xạ về đầu thu Cấu trúc một sensor siêu âm thường gồm những... Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ: • Giao tiếp bàn phím điều khiển • Nhận tín hiệu điều chế từ khối nhận và xử lý tín hiệu thu để kích dừng bộ đếm 8 bit Chương II : Hệ thống đo khoảng cách 2.1 Khối cảm biến : 2.1.1 Cảm biến siêu âm : 2.1.1.1: Một số loại cảm biến siêu âm : Hình 2.1 : 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. .. vi điều khiển có thể đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TiVi, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò vi ba…Trong hệ thống tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển. .. hiệu ra của sensor siêu âm hoạt động theo chế độ nhị phân 1.2.3 Ứng dụng của sóng siêu âm 14 ROBOT ĐẾM SẢN PHẨM TẨY RỮA PHÁT HIỆN ĐỘT NHẬP Hình 1.6: Một số ứng dụng sóng siêu âm 1.3 Sơ đồ khối 1.3.1 Sơ đồ khối đo khoảng cách Bànphím phímphí m Khối hiển thị Khối xung phát Khối xử lý trung tâm Khối ADC thu và xử lý Khối tín hiệu thu Khối nguồn Hình 1.7 : Sơ đồ khối máy đo khoảng cách 15 1.3.2 Chức năng... θ = 3600 bộ đo pha sẽ không phân biệt được D’ = L + n (với n là số nguyên ) hay D’ = L Như vậy cách này chỉ đo với các giá trị lệch pha θ < 3600 hay với khoảng cách 2D < λ Bên cạnh vi c sử dụng đo khoảng cách bằng nguồn phát lazer, trên thực tế người ta còn sử dụng nguồn thu phát siêu âm Chùm xung siêu âm phát ra đập tới bề mặt phản xạ của đối tượng, xung phản xạ được thu ở đầu thu siêu âm có thời... tính khoảng cách bằng: Hình 1.2 :Đo khoảng cách bằng thước đo - Khi đo nếu gặp địa hình dốc ít thì có thể nâng thước lên nằm ngang và dùng ống thăng bằng để kiểm tra thăng bằng khi đó đầu thước nâng cao được treo một dây dọi để định tâm đầu thước ở mặt đất - Nếu địa hình dốc đều ta có thể đo trực tiếp mặt đất nghiêng và dùng công thức: 11 Trong đó: l độ dài đo nghiêng; d khoảng cách AB; a góc nghiêng... SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 23 Bộ vi điều khiển thực ra, là một loại vi xử lý trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lý, từ những năm 70 do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kĩ thuật MOS (Metal-Oxide-semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chíp ngày càng cao Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lí 4 bit loại... và thi công 3.1 Nhiệm vụ thiết kế : Nhiệm vụ cần thực hiện là thiết kế một mạch đo khoảng cách từ 0-300 cm dùng sóng siêu âm và điều chỉnh độ chính xác của mạch đo theo nhiệt độ o Thiết kế mạch tạo xung phát sóng o Thiết kế khối xử lý tín hiệu thu o Thiết kế bộ đếm o Thiết kế khối khống chế bộ đếm và hiển thị vận tốc truyền theo nhiệt độ o Thiết kế khối nguồn 3.2 Thiết kế mạch tạo xung phát :  Biến... (Interlligen-electronics) cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giói với tên gọi 8048 Bên cạnh bộ vi xử lí 8048 trung tâm còn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ đếm và phát thời gian các cổng vào và ra Digital trên một chíp Các công ty khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tương tự như 8048 và hình thành nên họ vi điều khiển MCS-48 (Micro controller system-48)... Hình 1.3 :Đo bằng lương giác 1.2.1.2 Phương pháp xác định khoảng cách bằng lượng giác - Phương pháp này sử dụng một nguồn phát sáng phát ra một chùm tia hẹp tới đập vào bề mặt vật thể Do phản xạ, tia sáng chuyển hướng tới bộ thu được đặt cách bộ phát một khoảng B, góc phát tia sáng so với phương ngang là α ( hình 1.4) Hình 1.4: Sensor đo khoảng cách sử dụng phương pháp lượng giác Nếu D là khoảng cách từ . là khảo sát mạch đo khoảng cách dùng sóng siêu âm. 1.5 Giả thiết nghiên cứu Vi c đo khoảng cách bằng sóng siêu âm này chưa được khả thi lắm. Vì vận tốc truyền của sóng siêu âm trong mỗi chất. Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Khóa : 2008 - 2011 Tên Đề Tài : Nghiên cứu ,thiết kế bộ đo khoảng cách bằng sóng siêu âm ứng dụng vi điều khiển 1.Các số liệu ban đầu : ……………………………………………………………………………. 2.Nội. thuật siêu âm. Người làm đề tài có thể tìm hiều những vấn đề cơ bản của kỹ thuật siêu âm như sau: + Sơ lược về sóng siêu âm. + Các ứng dụng cơ bản của sóng siêu âm. + Khảo sát mạch đo khoảng cách

Ngày đăng: 03/07/2015, 09:48

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan