Đồ án Chế tạo máy đo độ cồn và giao tiếp máy tính (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Chế tạo máy đo độ cồn và giao tiếp máy tính (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ChẾ TẠO MÁY ĐO ĐỘ ỒN VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH GVHD: THS. NGUYỄN THỚI SVTH: TRƯƠNG HỒI VIỆT MSSV: 09101169 SVTH: TƠ HỒNG VŨ MSSV: 09101172 SKL003106 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐỘ ỒN VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH GVHD: ThS. Nguyễn Thới SVTH: Trương Hồi Việt MSSV: 09101169 Tơ Hồng Vũ MSSV: 09101172 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2014
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐỘ ỒN VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH GVHD: ThS. Nguyễn Thới SVTH: Trương Hồi Việt MSSV: 09101169 Tơ Hồng Vũ MSSV: 09101172 Tp. Hồ Chí Minh- 7/2014
4. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHẦN B
5. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Trang 1
6. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.1 Giới thiệu đề tài Trong cuộc sống cĩ rất nhiều loại tiếng ồn khác nhau và gây những phiền tối nhƣ :  Tiếng ồn nơi làm việc: Tiếng ồn nơi làm việc làm cản trở khả năng trao đổi thơng tin giữa những cá nhân trong cơng việc với nhau, cũng nhƣ với khách hàng.  Tiếng ồn trong ngành giải trí: Các tụ điểm giải trí nhƣ quán bar, sàn diễn thƣờng mở âm thanh rất lớn ảnh hƣởng đến thính giác của những ngƣời xung quanh khu vực nhƣ quán Bar, sàn diễn .  Tiếng ồn mơi trƣờng: Là một vấn đề lớn đƣợc đặt ra trong lĩnh vực dân số, tiếng ồn mơi trƣờng rất đa dạng bởi các nguồn âm khác nhau.Và là một chỉ tiêu đánh giá chỉ số hạnh phúc tại các nƣớc.  Tiếng ồn do xe cộ: Là một ứng dụng rất phát triển ở các nƣớc châu Âu, các loại xe vận hành trên đƣờng phố phải đạt đƣợc các tiêu chí nhất định trong đĩ cĩ độ ồn.  Tiếng ồn trong xây dựng: Ngành xây dựng hoạt động liên tục với các loại máy cơng nghiệp nặng trong các đo thị lớn cũng phải kiểm sốt tiếng ồn tránh ảnh hƣởng đến xã hội. Vì thế cần cĩ các thiết bị đo tiếng ồn để cĩ các quy chế xử lý những trƣờng hợp tiếng ồn quá mức cho phép gây ảnh hƣởng đến mọi ngƣời xung quanh. Thu thập dữ liệu để xử lý, đánh giá. 1.1.2 Thực trạng - Vào năm 1960 máy đo tiếng ồn đầu tiên đƣợc giới thiệu trên thế giới bởi Bruel & Kjỉr . - Hiện nay máy đo độ ồn đã đƣợc chế tạo và áp dụng rất rộng rãi ở các nƣớc phát triển.Tuy nhiên ở nƣớc ta vấn đề này cịn khá hạn chế. - Các loại máy đời mới cĩ thể tinh chỉnh và đo rất chính xác mức cƣờng độ âm. - Khuyết điểm: + Hiện nay giá thành của các máy đọ độ ồn cịn khá cao so với linh kiện tạo thành. + Máy đo độ ồn tuy cấu tao đơn giản nhƣng hầu hết tồn phải nhập khẩu. Chƣa cĩ cơng ty nào trong nƣớc chính thức sản xuất. + Đa số các máy đo độ ồn chƣa cĩ giao tiếp với máy tính. CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Trang 2
7. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI  Ở những nơi cơng cộng nhƣ thƣ viện, phịng đọc,đền đài hiện nay chƣa cĩ hệ thống đo tiếng ồn và phát cảnh báo.Tiếng ồn làm cản trở sự giao tiếp giữa các cá nhân trong khu vực đĩ.  Một phần hệ thống đo tiếng ồn hiện nay khơng cĩ hệ thống cảnh báo khi độ ồn vƣợt mức cho phép.  Đây cịn là một lĩnh vực khá mới ở nƣớc ta.Tuy nhiên giá thành sản xuất rẻ, cũng nhƣ việc chế tạo khá đơn giản.Cĩ thể áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ: thống kê độ ồn ở các khu vực khác nhau,giữ độ ồn ở các nơi cần sự yên tĩnh trong mức cho phép, xử lí vi phạm liên quan đến độ ồn, 1.3 MỤC TIÊU  Nghiên cứu dạng sĩng âm thanh trong phạm vi cảm biến thu nhận đƣợc qua dạng sĩng dịng áp ngõ ra thơng qua Datasheet của Microphone.  Khảo sát mức cƣờng độ âm ở các tần số khác nhau.  Nghiên cứu đặc tính của Microphone thích hợp với lĩnh vực nào trong đời sống.  Chế tạo máy đo độ ồn cĩ thế cầm tay, sử dụng pin 9V.  Kết nối giữa máy đo với máy tính qua giao diện C#.  Áp dụng trong một số lĩnh thực tế. 1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU  Microphone 65GC31T .  PIC16F877A.  Phần mềm nạp CCS.  Phần mềm tạo giao diện trên máy tính C#. 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Mơ phỏng : Sử dụng proteus mơ phỏng mạch đo độ ồn bằng cách đƣa điện áp thay đổi tƣơng ứng với điện áp đầu ra của microphone vào khối xử lý ADC trong vi điều khiển sau đĩ xử lý và cho hiển thị số liệu trên phần cứng . Giao tiếp máy tính.  Thực nghiệm. CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Trang 3
8. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.6 SƠ ĐỒ KHỐI SƠ BỘ HỆ THỐNG  Trên máy tính A phát ra một âm thanh với cƣờng độ âm đƣợc hiển thị trên màn hình.  Microphone tiếp nhận âm thanh xử lý đƣa ra áp qua ADC vi điều khiển pic 18F887 xử lý tín hiệu và hiển thị mức cƣờng độ âm trên máy tính B với giao diện tự thiết kế.  So sánh mức cƣờng độ âm do máy tính A phát ra và mức cƣờng độ âm đo đƣợc trên máy tính B. Program makes sound 90dB speaker Computer A Micro phone processcer xx xx xx xx xx xx xx xx xx 89dB alert Computer B Hình 1.1 Phương pháp nghiên cứu CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Trang 4
9. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.7 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI  Lấy mức điện áp thay đổi từ ngõ ra của microphone khi tiếp xúc với độ ồn ngồi mơi trƣờng, đƣa vào vi điều khiển xử lí sau đĩ hiển thị số liệu trên phần cứng. Và xây dựng phần mềm theo dõi sự thay đổi của dữ liệu thu thập đƣợc cập nhật từ thiết bị đo.  Microphone 65GC31T của hãng Sonion chƣa bán chính thức ra thị trƣờng mà chỉ sản xuất để test và các thơng số đang trong quá trình điều chỉnh.Kết quả đo đƣợc cĩ thể chƣa đƣợc kiểm định.  Máy đo độ ồn vẫn cĩ kích thƣớc lớn do sử dụng nhiều linh kiện khơng phải là linh kiện SMD và việc thiết kế, thi cơng phần cứng cịn làm thủ cơng.  Chốt dữ liệu để hiện thị và truyền lên máy tính, chƣa xác định đƣợc giá trị Min Max trong một khoảng thời gian lấy mẫu nhất định.  Giá trị cƣờng độ âm thanh (dB) đo đƣợc từ máy đo đến nguồn phát âm trong một khoảng cách xác định. 1.8 Ý NGHĨA THỰC TIỄN  Tạo tiền đề cho những nghiên cứu cĩ liên quan sau này.Để cĩ thể đƣa ra cơng thức chuyển đổi chính xác nhất.  Nếu chế tạo thành cơng và chính xác thì cĩ thể phổ biến đƣợc cơng nghệ chế tạo rộng rãi trong nƣớc.Vì cơng nghệ chế tạo đơn giản.  Quản lý,lƣu trữ, tra cứu thơng tin dựa trên dữ liệu độ ồn đã thu thập đƣợc trong thực tế vào những thời điểm khác nhau để đƣa ra hƣớng giải quyết hoặc một số tiêu chí nào đĩ. CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Trang 5
10. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 6
11. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.1 ĐỘ ỒN VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ ỒN 2.1.1 Độ ồn là gì ?  Độ ồn hay cịn gọi là cƣờng độ âm thanh là lƣợng năng lƣợng đƣợc sĩng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuơng gĩc với phƣơng truyền âm. Đơn vị cƣờng độ âm là ốt trên mét vuơng (kí hiệu : W/m2). 1W/m2 = 1Pa  Tai con ngƣời cĩ thể cảm nhận trong phạm vị rộng của âm thành.Âm thanh nhỏ nhất mà tai ngƣời cĩ thể phát hiện là 20 µP = 20.10-6Pa và âm thanh lớn nhƣ tàu con thoi cĩ áplực khoảng 2000 Pa= 2.109µPa .Trong vật lý, độ mạnh yếu của âm thanh khơng thể dùng đơn vị năng lƣợng để tính tốn, vì con số quá lớn từ 20 đến 2000000000, khơng tiện dùng. Ngƣời ta lấy đơn vị ben (B) để thể hiện cƣờng độ âm thanh.  Ngƣời ta định nghĩa mức cƣờng độ âm L là lơgarít thập phân của tỉ số I/I0 (I0là cƣờng độ âm chuẩn) L(B) = lg(I/I0)  Đơn vị mức cƣờng độ âm là Ben (kí hiệu : B). Nhƣ vậy mức cƣờng độ âm bằng 1,2,3,4 B điều đĩ cĩ nghĩa là cƣờng độ âm I lớn gấp 10, 102, 103, 104 cƣờng độ âm chuẩn I0.  Trong thực tế ngƣời ta thƣờng dùng đơn vị đêxiben (kí hiệu : dB), bằng 1/10 ben. Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben L(dB)= 10lg(I/I0)  Khi L= 1dB, thì I lớn gấp 1.26 lần I0. Đĩ là mức cƣờng độ âm nhỏ nhất mà tai ta cĩ thể phân biệt đƣợc. Quan hệ giữa Pascal và Decibel : Theo tiêu chuẩn quy định 106µPa = 1N/ 2 = 94dB CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 7
12. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.1 Độ ồn tương ứng với từng mơi trường Bảng 2.1 Mức cường độ âm của các âm thanh cơ bản Decibel Tác nhân gây độ ồn 0 Ngƣỡng nghe 10 Tiếng nhịp thở của con ngƣời 20 Âm thanh trong nhà nhỏ ở ngoại ơ 30 Lá cây đu đƣa 40 Nhà ở thành thị 50 Mặt giặt , máy rửa chén 60 Cửa hàng lớn 70 Nhà máy , cơng xƣởng ,xe cộ trong giờ cao điểm 80 Máy hút bụi , khu phố sầm suất 90 Xe tải cỡ lớn 100 Xe lửa điện ngầm 110 Cơng trƣờng xây dựng 120 Máy bay cất cánh từ khoảng cách 180 feet, máy khoan bê tơng 130 Súng đại bác 140 Quá trình tàu khơng gian khởi động , sấm sét (Nguồn www.wikipedia.org) CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 8
13. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.1.2 Ảnh hƣởng của độ ồn đến cuộc sống  Tiếng ồn tác động đến tai, sau đĩ tác động đến hệ thần kinh trung ƣơng, rồi đến hệ tim mạch, dạ dày và các cơ quan khác, sau đĩ mới đến cơ quan thích giác.  Tác động của tiếng ồn phụ thuộc vào tần số và cƣờng độ âm, tần số lặp lại của tiếng ồn.  Tác động đến cơ quan thính giác: tiếng ồn làm giảm độ nhạy cảm, tăng ngƣỡng nghe, ảnh hƣởng đến quá trình làm việc và an tồn.  Tác động đến các cơ quan khác: + Hệ thần kinh trung ƣơng: Tiếng ồn gây kích thích hệ thần kinh trung ƣơng, ảnh hƣởng đến bộ não gây đau đầu, chĩng mặt, sợ hãi, giận dữ vơ cớ. + Hệ tim mạch: làm rối loạn nhịp tim, ảnh hƣởng tới sự hoạt động bình thƣờng của tuần hồn máu, làm tăng huyết áp. + Dạ dày: làm rối loạn quá trình tiết dịch, tăng axit trong dạ dày, làm rối loạn sự co bĩp, gây viêm loét dạ dày. Tầm nghe của con người từ 0 đến 125dB.Dưới 40dB thì rất khĩ nghe cịn trên 105dB thì sẽ bị đau đớn.Trên 115dB một khoảng thời gian sẽ bị điếc vĩnh viễn. 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐỘ ỒN Cĩ 2 phương pháp đo độ ồn : Một là dựa trên sự so sánh về điện áp và hai là dựa trên sự so sánh về cơng suất.  Dựa trên sự so sánh về điện áp: 1 ơ푛𝑔 푡ℎứ 푡í푛ℎ: = 20 log 2 VD: Cho tần số 1 kHz biên độ 1V RMS ở ngõ vào một ampli và đƣợc 20VRMS ở ngõ ra.Sau đĩ kiểm tra Bandwidth của ampli, tăng tần số lên 20kHz (vẫn giữ biên độ 1VRMS) và đo đƣợc ngõ ra là 10VRMS khi đĩ sự giảm tính theo dB là: 20 20 log = 6 10  Dựa trên sự so sánh về cơng suất: P1 Cơng thức tính: dB = 10 log P2 CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 9
14. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP VD:Một ampli cung cấp cho một loa (8 ohm) một cơng suất 50W. Nếu thay vào đĩ một loa cơng suất 100W.Vậy cơng suất tăng thêm tính theo dB là : 50 10 log = 3 100 2.3 TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC VÀ PIC16F877A 2.3.1 Họ vi điều khiển PIC PIC là viết tắt của “ Programmable Intelligent Computer”là họ vi điều khiển RISC đƣợc sản xuất bởi cơng ty Microchip Technology.Thế hệ PIC đầu tiên là PIC650 đƣợc phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General- Instrumen. Hiện nay cĩ khá nhiều dịng PIC và cĩ rất nhều khác biệt về phần cứng nhƣng chúng ta cĩ thể điểm qua vài nét nhƣ sau: - Là CPU 8/16 bit, xây dựng theo kiến trúc Harvard cĩ sửa đổi. - Cĩ bộ nhớ Flash và ROM cĩ thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte . - Cĩ các cổng xuất – nhập (I/O ports). - Cĩ timer 8/16 bit. - Cĩ các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/khơng đồng bộ USART. - Cĩ các bộ chuyển đổi ADC 10/12 bit. - Cĩ các bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators). - Cĩ các khối Capture/Compare/PWM. - Cĩ hỗ trợ giao tiếp LCD. - Cĩ MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S. - Cĩ bộ nhớ nội EEPROM - cĩ thể ghi/xố lên tới 1 triệu lần. - Cĩ khối Điều khiển động cơ, đọc encoder. - Cĩ hỗ trợ giao tiếp USB. - Cĩ hỗ trợ điều khiển Ethernet. - Cĩ hỗ trợ giao tiếp CAN. 2.3.2 PIC 16F877A và các tính năng cơ bản  PIC16F877A PIC16F877A cĩ 40/44 chân với cấu trúc nhƣ sau: - Cĩ 5 port xuất/ nhập. - Cĩ 8 kênh chuyển đổi A/D. - Đƣợc bổ sung các port tử song song. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 10
15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Cĩ bộ nhớ gấp đơi so với PIC16F873A/PIC16F874A. Bảng 2.2 Tĩm tắt đặc điểm PIC16F877A Hình 2.2 Sơ đồ chân 16F877A Hình 2.3 PIC 16F877A CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 11
16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.4 Cấu trúc PIC 16  Các tính năng cơ bản  Tổ chức bộ nhớ : PIC16F877A cĩ 3 khối bộ nhớ tích hợp bên trong: bộ nhớ chƣơng trình (Program memory) cĩ dung lƣợng 8K, bộ nhớ dữ liệu RAM cĩ 368 ơ nhớ byte cùng với các thanh ghi cĩ chức năng đặc biệt SFR (Special Function Register) và bộ nhớ EEPROM cĩ dung lƣợng 256 byte.  ADC (Analog to Digital Converter): Vi điều khiển PIC họ 16F877A cĩ bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số ADC 10 bit đa hợp 8 kênh (họ 16F887 cĩ 14 kênh)cĩ tên từ AN0 đến AN7 (analog) với các chân của port A và port E. Hai ngõ vào điện áp tham chiếu dƣơng và âm cĩ thể lập trình nối với nguồn VDD và VSS hoặc nhận điện áp tham chiếu bên ngồi qua 2 chân RA3 và RA2. Mạch ADC dùng cho các ứng dụng giao tiếp với tín hiệu tƣơng tự từ các cảm biến nhƣ cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến áp suất, cảm biến độ ẩm,  Các port xuất nhập I/O  UART ( Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) - PIC16F877A cĩ hỗ trợ một kênh giao tiếp UART. CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 12
17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Sơ đồ kết nối UART với PIC. Hình 2.5 Sơ đồ kết nối UART với PIC CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 13
18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHƢƠNG III : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Trang 14
19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.1 YÊU CẦU 3.1.1 Yêu cầu  Thiết kế máy đo độ ồn dùng trong văn phịng, thƣ viện,đền thờ  Bộ đo phải nhỏ gọn, tƣơng đối chính xác.Xài nguồn pinvà cĩ thể mang theo.  Xử lý giá trị điện áp thay đổi từ MIC để kết quả cuối cùng là cƣờng độ âm thanh (dB).  Giá trị dB hiển thị để quan sát và theo dõi.  Truyền giá trị độ ồn (dB) đo đƣợc lên máy tính để xử lý. 3.1.2 Sơ đồ khối Micro Amplifier ADC Display Computer phone on LCD Hình 3.1 Sơ đồ khối quá trình xử lý tín hiệu. Tín hiệu thu đƣợc ở Microphone 65GC31T sẽ qua mạch khuếch đại với hệ số KĐ AV =4. Sau đĩ đƣợc đƣa vào khối ADC trên PIC16F877A, ở đây tín hiệu điện áp ngõ vào sẽ đƣợc tính tốn chuyển đổi sang mức cƣờng độ âm thanh (dB) đem hiển thị trên LCD 16x2. Những dữ liệu này sẽ đƣợc truyền lên máy tính để theo dõi và xử lý. CHƢƠNG III : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Trang 15
20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Program make sound speaker 90dB Computer A Micro phone xx xx xx xx xx xx xx xx xx 89dB processcer r Computer B aler t  Trên máy tính A phát ra một âm thanh với cƣờng độ âm đƣợc hiển thị trên màn hình.  Microphone tiếp nhận âm thanh xử lý đƣa ra áp qua ADC vi điều khiển pic 16F877A xử lý tín hiệu và hiển thị mức cƣờng độ âm trên máy tính B với giao diện tự thiết kế.  So sánh mức cƣờng độ âm do máy tính A phát ra và mức cƣờng độ âm đo đƣợc trên máy tính B. CHƢƠNG III : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Trang 16
21. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.2 CÁC MODUL ĐƢỢC SỬ DỤNG 3.2.1 Modul LCD16x2 Hình 3.2 Modul LCD 16x2 Đây là loại gồm 16 ký tự và 2 dịng, mỗi ký tự đƣợc tạo ra từ một ma trận điểm sáng kích cỡ 5×7 hoặc 5×10. Bảng3.1Sơ đồ chân và chức năng CHƢƠNG III : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Trang 17
22. S K L 0 0 2 1 5 4