TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN VA CHẠM CHO Ô TÔ

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Quang
Nhóm sinh viên thực hiện:

1


MỤC LỤC
TRANG
LỜI MỞ ĐẦU

2

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

4

1.Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI

4

2.MỤC ĐICH THIẾT KẾ

4

CHƯƠNG II

GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN QUANG

5

CHƯƠNG III

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

7

1.SƠ ĐỒ KHỐI

7

2.CHI TIẾT CÁC PHẦN

7

THIẾT KẾ MẠCH

9

1.SƠ ĐỒ MẠCH THIẾT KẾ

9

2.LỰA CHỌN LINH KIỆN

10


3.MÔ HÌNH MẠCH ĐÃ THIẾT KẾ ĐƯỢC

12

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

13

1.KẾT LUẬN

13

2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

13

CHƯƠNG I

CHƯƠNG IV

CHƯƠNG V

2


LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới, các cuộc cách mạng khoa học và công nghệ vẫn
tiếp tục phát triển nhanh chóng với trình độ ngày càng cao, thúc đẩy quá trình

chuyển dịch cơ cấu kinh tế thế giới, quốc tế hoá nền kinh tế và đời sống xã
hội. Nền kinh tế Việt Nam – với xuất phát điểm thấy kém nền công nghiệp, lạc
hậu, để có được tốc độ tăng trưởng cao hơn, cần có một lực đẩy mạnh mẽ hơn
nữa – lực đẩy đó chỉ có thể có được nhờ đẩy mạnh công cuộc Công nghiệp
hoá, hiện đại hoá đất nước, tạo ta một sự chuyển đổi căn bản trong cơ cấu kinh
tế theo hướng hiện đại. Nhận thức được điều đó, tại hội nghị đại biểu toàn
quốc giữa nhiệm kỳ của Đảng vào tháng 1/1994 đã đề ra những nhiệm vụ chủ
yếu, trong đó. Thúc đẩy sự chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng Công
nghiệp hoá, hiện đại hoá được coi là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu,là một đòi
hỏi khách quan của sự phát triển kinh tế – xã hội ở nước ta trong giai đoạn
hiện nay – giai đoạn quá độ lên Chủ nghĩa xã hội.
Yêu cầu đặt ra đối với các sinh viên chuyên ngành điện tự động hóa là
cần phải nắmvững, học hỏi trao dồi kiến thức và kỹ năng từ cơ bản đến phức
tạp như: biết cách sử dụng thành thạo các loại cảm biến và kết nối với hệ
thống để thu nhận tín hiệu, kỹ năng lập trình trên các hệ thống sử dụng vi điều
khiển trong các hệ thống công nghiệp và các ứng dụng trong sinh hoạt sản
xuất.
Sau thời gian học tập và nghiên cứu cùng với sự nỗ lực của nhóm,
chúng em đã hoàn thành đề tài thiết kế hệ thống đóng mở của tự động. Môn
Điện Tử Tương Tự là môn cơ sở ngành cung cấp cho chúng em những kiến
thức cơ bản, chúng em phải tự tìm tòi nghiên cứu nên không tránh khỏi những
thiếu xót, chúng em mong được sự chỉ bảo của thầy để sản phẩm hoàn thiện
hơn và có thể ứng dụng vào thực tế.

3


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
1. Ý tưởng đề tài
Hiện nay tại nạn oto ở các điểm mù thường xảy ra dẫn đến những hậu

quả xấu. Có rất nhiều ứng dụng để giảm thiểu tình trạng đó xảy ra thì ở trong
đó có ứng dụng cảm biến quang tiệm cận. Xuất phát từ đó nhóm chúng em với
sự hướng dẫn của thầy Quang - bộ môn điện tử tương tự đã tìm tòi cũng như
triển khai xây dựng một mạch điện cảm biến quang tiệm cận cho ô tô.
2. Mục đích thiết kế
•
Cảm biến va chạm ôtô là một thiết bị gắn trên thân xe ôtô với chức năng
phát ra tín hiệu cảnh báo để người lái xử lý ngay lập tức, nhằm hạn chế tối
đa các tình huống va quệt và đậu xe một cách chính xác nhất.
•
Mặc dù được trang bị 3 gương chiếu hậu (hai bên hông và một ở giữa
trong cabin) nhưng bất cứ xe nào cũng tồn tại những “góc mù”mà người
lái không thể nào quan sát được hết được. Do đó, nhiều người chọn
phương án lắp thêm cảm biến va chạm.

Những lợi ích nổi bật của cảm biến va chạm ô tô
• Khắc phục điểm mù và góc chết của ô tô.
• Hạn chế tối đa những va chạm không đáng có.
• Nhận biết nguy hiểm và sớm có hành động đề phòng hay né tránh, giảm
thiểu tai nạn.

4


CHƯƠNG II. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN QUANG
Hiện nay trên thị trường có hàng tram ngàn cảm biến phục vụ các mục đích
khác nhau, nhưng nó có mẫu số chung là được làm từ các sensor phần tử điện
thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường.
Cấu tạo cảm biến gồm các
phần tử mạch điện tạo thành

một hệ thống hoàn chỉnh,
được đóng gói nhỏ gọn
trong một vỏ hộp. Các tín
hiệu phát ra được quy chuẩn
theo các mức điện áp và
dóng điện thông dụng nhất
phù hợp với các bộ điều
khiển.
Mặc dù có hàng ngàn loại cảm biến khác nhau, nhưng thực tế khi thiết kế các
loại máy móc, đặc biệt là ngành điện tự động hóa, chỉ có vài chục cảm biến
công nghiệp thông dụng mà chúng ta dung nhiều, thường thấy như cảm biến
nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến áp suất, cảm biến tiệm cận, cảm biến siêu
âm, cảm biến độ ẩm, … Đó là những sensor chúng ta thường thấy trên thị
trường.
Cảm biến quang được cấu tạo bởi
linh kiện bán dẫn quang điện, khi có
ánh sáng chiếu vào bề mặt bán dẫn
sẽ thay đổi tính chất của light sensor.
Tín hiệu quang này được chuyển đổi
sang tín hiệu quy chuẩn thông qua
một bảng mạch điện tử, nhờ hiện
tượng phát xạ điện cực ở catot.
Thường thì cảm biến quang có một đầu thu và một đầu phát tín hiệu quang, và
được chia làm nhiều loại theo nguyên lí làm việc:

5


•


•

•

Loại cảm biến quang thu phát gồm một bộ phát ánh sáng như hông
ngoại, laze, ... và bộ thu là sensor quang rất nhạy để chuyển đổi tín hiệu
quang sang tín hiệu điện.
Cảm biến quang phản xạ gương tức là nó thu phát và nhận tín hiệu qua
chiếc gương được đặt đối diện, nguyên lý là nếu không có vật chạy qua
thì tín hiệu từ đầu phát sẽ phản xạ lại vào đầu thu. Tín hiệu thường xuất
ra NPN hoặc PNP. Ưu điểm của loại này là phát hiện rất xa so với cảm
biến quang thu phát thông thường hay cảm biến quang độc lập, tiết kiệm
chi phí lắp đặt đầu tư.
Cảm biến quang dạng khuếch tán thường được dùng cho các máy dây
chuyền đếm sản phẩm, đếm hàng hóa chạy trên các băng tải rất phổ biến
trong công nghiệp. Các sản phẩm tiêu biểu như sợi cảm biến quang
omron, cảm biến thu phát chung omron, ...

Ưu và nhược điểm của từng loại cảm biến quang.
Cảm biến quang có nhiều ưu điểm hơn so với các loại cảm biến khác( cảm
biến từ, cảm biến điện dung ….)
• Cảm biến quang không tiếp xúc trực tiếp với vật cần phát hiện cho nên
tuổi thọ, độ bền sẽ cao hơn.
• Khoảng cách phát hiện của Cảm biến quang khá xa, việc này cũng giúp
ít không nhỏ cho việc thiết kế cũng như lắp đặt.
• Một ưu thế không thể bỏ qua của cảm biến quang đó là phát hiện hầu
hết các loại vật thể, vật chất hỗ trợ rất nhiều trong tự động hóa.
»

Như vậy sau quá trình tìm hiểu trong giáo trình, trên mạng internet cũng

như với sự hướng dẫn của thầy, chúng em quyết định thiết kế mạch cảm
biến quang thu phát để làm cảm biến cảnh báo va chạm cho xe ô tô.

6


CHƯƠNG III. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.Sơ đồ khối
Cấu trúc của cảm biến quang tiệm
cận gồm:
• Bộ phát sáng
• Bộ thu sáng
• Mạch xử lí tín hiệu ra
2. Chi tiết các phần
Bộ phát sáng
•
Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED để phát ra
ánh sáng.
•
Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED
laze. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Tuy
nhiên, thông thường các nguồn sáng này được phát ở các tần số mà mắt
người không nhìn thấy được.
Bộ thu sáng
•
Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang). Bộ
phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ.
•
Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp
của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường

hợp phản xạ khuếch tán), điều đó còn tùy theo đặc điểm của mỗi loại cảm
biến khác nhau.
Mạch xử lí tín hiệu ra
•
Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC
thành tín hiệu On / Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được
vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích
hoạt.
•
Một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu
ra là tiếp điểm rơ le, nhưng ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín
hiệu ra bán dẫn(PNP/NPN).
•
Chúng em lựa chọn mạch xử lí tín hiệu ra là một mạch so sánh
 Mạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật toán như hình vẽ dưới.
Đó là quá trình so sánh biên độ điện áp đưa vào với một điện áp chuẩn
(Uch) có cực tính có thể dương hay âm. Thông thường điện áp chuẩn đã
được xác định trước.
7




Khi UV < Uch thì U0< 0 do đó Ura = +Ura.max



Khi UV > Uch thì U0 > 0 do đó Ura= - Ura.max




Khi Ura = +Ura.max thì ta nói IC bão hoà dương.



Ura = - Ura.max thì ta nói IC bão hoà âm.



Về giá trị điện áp ra bão hoà thấp hơn nguồn nuôi (1÷ 3V) tuỳ vào từng
loại IC

8


Mạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật toán(a,c) và hàm truyền đạt tương
ứng(b,d)

9


Ở hình vẽ b) điện áp vào đưa đưa tới cửa thuận còn điện áp chuẩn ở cửa đảo.
UV < Uch thì Ura = - Ura.max
UV > Uch thì Ura = +Ura.max.
Khi làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần chú ý đến tính quán tính
(trễ) của IC thuật toán. Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay thời gian
tăng của điện áp ra khoảng V/μs. Trong điều kiện tốt hơn nên sử dụng các IC
chuyên dùng có tốc độ chuyển biến nhanh hơn như loại μA710, A110,
LM310…


CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ MẠCH
1.Sơ đồ mạch thiết kế ( vẽ bằng phần mềm Altium)
Chú thích:
LED1:
LED
phát
LED2: LED thu

10


Nguyên lí hoạt động của mạch:
Khi LED1 được cấp một nguồn Vcc thì nó phát ra tia hồng ngoại. Khi đó có 2
trường hợp xảy ra:
 Khi không có vật cản thì LED2 không thu được ánh sáng hồng ngoại
phát ra từ LED1, điện trở giữa hai chân LED2 lớn làm cho điện thế đầu
vào không đảo nhỏ hơn đầu vào đảo, dẫn đến đầu ra có điện thế = 0. Khi
không có điện thế đầu ra còi sẽ không kêu.
 Khi xuất hiện vật cản, ánh sáng hồng ngoại phát ra từ LED1 đi đến vật
cản bị phản xạ lại vào LED2 làm cho điện trở giữa hai chân LED2 nhỏ
đi, khi đó điện thế không đảo lớn hơn điện thế đảo, dẫn đến đầu ra có
điện thế khác 0. Khi đầu ra có điện thế thì còi sẽ kêu.

2. Lựa chọn linh kiện
•

Đối với mạch xử lí tín hiệu đầu ra (mạch so sánh), chúng em lựa chọn IC
LM358. IC LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, bộ
khuếch đại này có ưu điểm hơn so với bộ khuếch đại thuật toán chuẩn
trong các ứng dụng dùng nguồn đơn. IC LM358 có thể hoạt động ở nguồn

điện áp thấp 3V hoặc cao lên tới 32V. Có công suất cực máng thấp, tuy
nhiên có độ lợi cao 100dB. Cấu tạo bên trong gồm 2 bộ khuếch đại thuật
toán, tương thích với nhiều loại mạch logic khác nhau.

11


Thông số kỹ thuật:


Model: 14 chân, xuyên lỗ



Điện áp: 3-32V với nguồn đơn, 1.5-16V với nguồn đôi



Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC



Độ lợi khuếch đại DC 100dB



Điện áp ngõ ra: 0V đến VCC (+)-1.5V

Các tính năng của khuếch đại thuật toán:


•



Bảo vệ quá áp lối ra.



Tầng khuếch đại vi sai lối vào.



Dòng cung cấp lối vào thấp.



Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm.

Một số linh kiện khác
Tên
LED thu hồng ngoại

LED phát hồng ngoại

12

Số lượng

1


1


Điện trở 100ohm

1

Điện trở 10k ohm

1

Nguồn 6v

1

Bo mạch

1

Biến trở tam giác 10k 103

1

Còi chip 5V

1

3. Mô hình mạch đã thiết kế

13



Qua quá trình chạy thử nghiệm mạch, nhận thấy rằng mạch hoạt động tương
đối ổn định. Khi có vật thể chắn trong khoảng cách khoảng 30-50 cm còi báo
sẽ kêu. Để thay đổi khoảng cách mà mạch có thể cảm biến vật thể ta có thể
thay đổi giá trị biến trở tam giác rất đơn giản và thuận tiện.

14


CHƯƠNG V. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
1. Kết luận
Qua quá trình tìm hiểu và thiết kế mạch, chúng em rút ra được một số ưu
nhược điểm của mạch cảm biến quang như sau:
• Ưu điểm
 Dễ làm, dễ thực hiện.
 Linh kiện rẻ, dễ mua.
 Có thể ứng dụng vào thực tế.
• Nhược điểm
× Khoảng cách phát hiện vật cản còn tương đối nhỏ.
× Tỉ lệ lỗi đen/trắng cao.
× Khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính
chất của bề mặt vật.
2. Hướng phát triển của đề tài
»

Đây là một đề tài mặc dù đơn giản, không phức tạp nhưng rất thú vị dù
tiềm năng để phát triển của nó không phải quá lớn. Hiện nay, việc thiết kế
các mạch cảm biến để cảnh báo vật cản cho ô tô đã rất phổ biến đặc biệt và
hầu hết ít khi người ta sử dụng mạch cảm biến quang bởi nhiều nguyên

nhân và một trong số đó là độ chính xác chưa thực sự cao, có thể gây mất
an toàn cho người ngồi trên xe.

»

Nếu có điều kiện cũng như khả năng tiếp tục nghiên cứu về đề tài cảm biến
cho ô tô, nhiều khả năng chúng em sẽ mở rộng vấn đề này, tìm hiểu thêm
và thiết kế những mạch cảm biến khác phù hợp hơn, chính xác hơn, làm
việc hiệu quả hơn và phổ biến hơn như mạch cảm biến siêu âm, mạch cảm
biến điện từ, ...

»

Lời cuối, chúng em xin cảm ơn Thầy vì đã giảng dạy, hỗ trợ, hướng dẫn
chúng em trong suốt kì học vừa qua cũng như đã theo dõi bài trình bày của
nhóm em. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn Thầy.

15