Đo khoảng cách dùng cảm biến siêu âm

114 
ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM 
Phan Minh Triết, Nguyễn Thành Đạt, Nguyễn Quốc Nhân 
Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh 
GVHD: ThS. Nghiêm Hoàng Hải 
TÓM TẮT 
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng và không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là việc 
ứng dụng các công nghệ mới, kỹ thuật vi mạch ngày càng phổ biến trong cuộc sống, với mọi lĩnh 
vực, phục vụ cho cuộc sống con người ngày càng tốt hơn. Một trong những ứng dụng trong lĩnh vực 
xây dựng được nhiều người quan tâm đến đó là tạo ra một thiết bị đo khoảng cách giúp cho việc 
đo đạc trở nên nhanh chóng và chính xác hơn. 
1 GIỚI THIỆU 
Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật ngày nay con người không chỉ dựa vào các cơ 
quan xúc giác của cơ thể để khám phá thế giới. Các chức năng xúc giác để nhận biết các vật thể 
hiện tượng xảy ra trong thiên nhiên được tăng cường nhờ các phát triển dụng cụ dùng để đo lường 
và phân tích mà ta gọi là cảm biến[1-3]. 
Cảm biến được định nghĩa như các thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng 
không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, 
trở kháng). Nó là thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị đo hay trong các hệ thống điều 
khiển tự động, có thể nói: nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều trường hợp thục tế 
cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động[1]. 
Một trong các ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến đó là cảm biến vị trí và dịch chuyển. Vì việc kiểm 
tra vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của nhiều máy móc, công cụ. 
Hơn nữa, một số đại lượng vật lý có thể đo được thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một 
vật chịu tác động của đại lượng vật lý đó. Có nhiều phương pháp để xác định vị trí và dịch chuyển. 
Trong phạm vi môn học, chúng ta có thể thiết kế được một mạch điện tử đơn giản để đo khoảng 
cách, sử dụng cảm biến siêu âm. Để làm mạch này cần thiết kế được ba phần chính: bộ phận cảm 
biến - bộ phận xử lý - bộ phận hiển thị. Ở đề tài này, chúng tôi dùng cảm biến siêu âm HC-SRF04 
để đo khoảng cách[1]. 
115 
2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 
2.1 Sơ đồ khối 
Hình 1. Sơ đồ khối 
Chức năng của từng khối trong sơ đồ: 
Khối nguồn: Cấp nguồn 5V DC cho mạch hoạt động. 
Khối cảm biến: Phát và nhận lại tín hiệu (sóng hồng ngoại) khi có vật cản. 
Khối xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu được nhận từ khối cảm biến và điều khiển ngõ ra cho khối hiển thị. 
Khối hiển thị: Màn hình hiển thị thông tin tín hiệu sau khi được khối xử lý tín hiệu xử lý[1]. 
2.2 Lưu đồ giải thuật 
Hình 2. Lưu đồ giải thuật 
116 
2.3 Sơ đồ nguyên lý 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý 
2.4 Nguyên lý hoạt động 
Khi cấp nguồn vào mạch, VĐK sẽ kích 1 xung vào chân Trigger của module cảm biến tối thiểu là 
10ms. Sau khi chân Trigger của module được kích hoạt thì bộ phận phát xung của cảm biến tự 
động phát ra 1 chuỗi gồm 8 xung có tần số 40 Khz. Tại thời điểm cuối khi phát ra 8 xung thì đồng 
thời chân Echo được kéo lên mức cao. Sau khi 8 xung phát ra gặp vật cản và trở về bộ phận thu của 
module cảm biến thì chân Echo lại được kéo về lại mức thấp. Hoặc nếu 8 xung phát ra mà không 
gặp vật cản thì sau khoảng 30 ms chân Echo được tự động kéo về lại mức thấp. Như vậy chúng ta 
đo khoảng cách chẳng qua là chúng ta đo khoảng thời gian từ lúc chân Trigger về lại mức 0 và 
chân Echo được kéo xuống mức 0[1-3]. 
2.5 Mạch in 
Hình 4. Sơ đồ mạch in 
117 
2.6 Mạch thực tế 
Hình 5. Mạch thực tế 
3 KẾT QUẢ 
Đo được khoảng cách của vật dịch chuyển bằng sóng siêu âm và hiển thị trên LCD. 
4 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM 
4.1 Ưu điểm 
Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện từ 2-3 m. 
Sóng phản hồi không phụ thuộc vào màu sắc, bề mặt của vật thể hay tính chất phản xạ ánh sáng 
của đối tượng. 
Tín hiệu đáp ứng của cảm biến analog là tỷ lệ tuyến tính với khoảng cách. Điều này đặc biệt lý 
tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng. 
Mạch điện tử đơn giản, xử lý tín hiệu dễ ràng. 
4.2 Nhược điểm 
Cảm biến siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (phụ thuộc vào từng loại cảm 
biến). 
Sóng phản hồi mà cảm biến siêu âm nhận được có thể chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh, tạp 
âm. 
Cảm biến siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng 
phản hồi. Kết quả nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác. 
Cảm biến siêu âm có giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất. 
Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ),áp suất, sự 
chuyển động không đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả 
đo. Nhiệt độ của bề mặt đối tượng làm ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến, làm méo 
dạng sóng, làm cho khoảng cách phát hiện ngắn lại và kết quả không chính xác. 
118 
Bề mặt phẳng phản hồi năng lượng của sóng siêu âm tốt hơn mặt gồ ghề, tuy nhiên bề mặt trơn 
phẳng lại có đòi hỏi khắt khe về vị trí góc tạo thành giữa cảm biến và mặt phẳng đối tượng. 
5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 
Có thể dùng để chế tạo robot dẫn đường, khi robot ở chế độ tự động, nó phải lấy thông tin của môi 
trường xung quanh như: khoảng cách, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,... Và tiến hành phân tích các dữ 
liệu đó, cuối cùng ra quyết định phù hợp. Ví dụ: như robot tự tìm đường đi thì nó phải tính được xem 
phía trước có vật cản hay không, và tiến hành đi tới hay rẽ sang một hướng khác. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]  
[2]  
[3]