Khóa luận Xây dựng thiết bị nhận biết phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ trở

ình sử dụng hai vòng cảm ứng, và thuật toán thích hợp ta sẽ xác định được thông số tốc độ của phương tiện. Với các vòng cảm ứng từ tốt và khối điện tử xử lý thích hợp, các thông tin thu được từ thiết bị này có thể phân loại được các phương tiện giao thông. Hoạt động của các vòng cảm ứng từ là đơn giản và dễ hiểu, và cung cấp các thông số cơ bản trong giao thông. Giá thành khi chế tạo thiết bị sử dụng vòng cảm ứng từ thấp hơn so với công nghệ cảm biến không phá huỷ mặt đường như: phương pháp sủ dụng Camera, sử dụng radar… Điều hạn chế đối với việc sử dụng vòng cảm ứng từ là phải phá huỷ đường giao thông khi cài đặt và sửa chữa. Ngoài ra các vòng cảm ứng từ chịu tác động của nhiệt độ [7]. 1.2.2 Radar Radar (Radio Detection And Ranging) dùng sóng viba được đặt bên lề các tuyến đường giao thông, với bước sóng sử dụng thường trong vùng tần số 10.525 GHz (vùng tần số của tia X). Radar sẽ phát ra năng lượng trong một vùng trên đường, độ rộng của vùng có thể điều khiển được, gọi là vùng quan sát. Một phần năng lượng phát ra sẽ bị phản xạ bởi các phương tiện giao thông đến cảm biến. Tại đó cảm biến sẽ phát hiện và chuyển đổi thành các thông tin về giao thông. Có thể sử dụng một cảm biến hoặc có thể kết nối nhiều cảm biến, đặt bên lề đường giao thông [7]. 6 Hình 3. Radar nhận tín hiệu phản xạ từ các phương tiện giao thông Radar sử dụng trong các ứng dụng giao thông thường sử dụng hai loại sóng. Loại thứ nhất phát sóng liên tục (CW) có tần số không đổi theo thời gian. Loại thứ hai phát ra sóng đã được điều tần. Radar phát ra sóng liên tục mà tần số không thay đổi theo thời gian, theo nguyên lý Doppler, thì sự chuyển động của các phương tiện giao thông trong vùng nhìn của Radar làm thay đổi tần số của tín hiện phát ra. Tín hiệu phản xạ lại khi gặp các phương tiện có tần số khác tần của tín hiệu phát ra. Do đó nó có thể phát hiện được khi có phương tiện giao thông di chuyển qua. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này không thể phát hiện được phương tiện khi chúng không chuyển động [8]. Radar sử dụng sóng đã được điều tần phát ra sóng có tần số thay đổi tuần hoàn theo thời gian. Do đó nó thể phát hiện được các phương tiện khi chúng không chuyển động. Hình 4. Tín hiệu điều tần được phát ra và thu được về Radar 7 Bằng cách sử dụng Radar, thiết bị có thể cung cấp các thông tin như: lưu lượng phương tiện giao thông, tốc độ của phương tiện, độ dài hàng đợi…nhưng không thể phân loại được phương tiện. Tuy nhiên sử dụng Radar là tốn kém, không phù hợp với điều kiện kinh tế đất nước ta. 1.2.3 Camera Các camera vốn được sử dụng trong các hệ thống quản lý giao thông dựa trên khả năng truyền hình ảnh tới hệ thống vô tuyến đến trung tâm điều hành. Trong các ứng dụng quản lý giao thông ngày nay, các camera cung cấp hình ảnh được tự động phân tích các tình huống giao thông và rút ra các thông tin phục vụ cho giám sát và điều khiển giao thông. Các hệ thống xử lý hình ảnh video thường bao gồm một hoặc nhiều camera, một bộ vi xử lý để số hoá và phân tích hình ảnh, và phần mềm phân tích các hình ảnh thành các thông tin mong muốn [7]. Hệ thống xử lý hình ảnh sẽ phát hiện phương tiện giao thông bằng cách phân tích hình ảnh thu được từ các camera, phân biệt sự thay đổi giữa các khung ảnh liên tiếp. Thuật toán xử lý hình ảnh khảo sát sự thay đổi các mức xám theo các nhóm điểm ảnh trong từng khung hình ảnh. Các thuật toán này sẽ tách các mức xám trong hình ảnh gốc (background ) do các điều kiện thời tiết, thay đổi ánh sáng, sao cho vẫn giữ lại được hình ảnh các vật thể cần phát hiện. Các thông tin khác (vận tốc, lưu lượng, phân loại phương tiện…) đạt được thông qua phân tích các khung hình ảnh liên tiếp nhau [8]. Các kỹ thuật xử lý hình ảnh liên tục cải tiến khả năng nhận biết các vật thể trong bóng tối, hay thay đổi ánh sáng, phản chiếu ánh sáng, điền kiện thời tiết khắc nghiệt. Các hệ thống xử lý hình ảnh có nhiều camera có thể cung cấp các thông tin trong vùng rộng lớn. Tuy nhiên, khả năng thu nhận hình ảnh sẽ giảm sút trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, ánh sáng không tốt… hoặc khi xảy ra tắc nghẽn sẽ khó phân biệt các phương tiện. Chi phí để xây dựng hệ phát hiện theo phương pháp là rất cao. 1.2.4 Cảm biến hồng ngoại Các cảm biến hồng ngoại được sản xuất sử dụng trong các ứng dụng trong giao thông, thường được gắn trên các thanh ngang qua làn đường giao thông. Có hai loại cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông là: tích cực và thụ động. Thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực (Active Infared Sensor): Loại này sẽ phát sóng xuống một vùng hẹp với năng lượng thấp được tạo ra bởi các Diode 8 Laser. Các Diode Laser hoạt động trong dải bước sóng gần vùng hồng ngoại, xung quanh bước sóng 0.85µm. Năng lượng do các Diode Laser phát ra sẽ bị phản xạ lại khi gặp các phương tiện giao thông (mà chúng không hấp thụ năng lượng này). Năng lượng phản xạ này sẽ được hướng tới cảm biến hồng ngoại đặt trên mặt phẳng vuông góc và đi qua tiêu điểm (tiêu diện) của hệ quang học thu năng lượng hồng ngoại này. Cảm biến Laser hồng ngoại tích cực có hai bộ quang học. Bộ quang học phát chia lối ra thành hai chùm tia, lệch nhau khoảng vài độ (Hình 5). Bộ phận quang học nhận có vùng nhìn rộng hơn, vùng này có thể nhận năng lượng bị phân tán do gặp các phương tiện giao thông. Bằng cách phát ra một hay nhiều chùm tia, hệ thống này có thể xác định xác định thời gian phương tiện đi vào mỗi chùm tia [6]. Sử dụng các cảm biến hồng ngoại tích cực cho phép phát hiện phương tiện, xác định lưu lượng, độ dài phương tiện, phân loại phương tiện. Hình 5. Diode Laser phát ra năng lượng hồng ngoại xuống làn đường giao thông Thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động: là loại không phát ra năng lượng, mà nó chỉ thu nhận năng lượng hướng tới nó. Năng lượng hướng tới cảm biến có thể được phát ra từ các phương tiện giao thông, từ bề mặt đường hay các vật thể khác khi chúng nằm trong vùng nhìn (vùng cảm biến) của cảm biến. Vì vậy sử dụng loại cảm biến này có vùng nhìn rộng hơn. Các cảm biến hồng ngoại có thể được chế tạo để thu nhận năng lương tại bất kỳ tần số nào. Một số loại được chế tạo thu nhận ở bước sóng trong dải hồng ngoại từ 8 đến 14 µm, có thể làm giảm thiểu được hiệu ứng của phản chiếu ánh sáng mặt trời và sự thay đổi cường độ sáng do sự chuyển động của mây. Khi có phương tiện đi vào 9 vùng nhìn của cảm biến, làm thay đổi năng lượng mà cảm biến nhận được, do đó có thể phát hiện được chúng. Năng lượng thu nhận được khi có phương tiện giao thông đi qua tỉ lệ với tích của hiệu các hệ số phát và độ chênh lệch nhiệt độ khi nhiệt độ của bề mặt đường và phương tiện giao thông bằng nhau. Hiệu hệ số phát là hiệu hệ số phát của mặt đường và phương tiện giao thông. Độ chênh lệch nhiệt độ là hiệu của nhiệt độ tuyệt đối của mặt đường và nhiệt độ khí quyển bị phân tán [7]. Khi thời tiết nhiều mây hay ẩm ướt sẽ ảnh hưởng đến tín thu được. Hình 6. Cấu hình của bộ phát hiện sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động Nếu sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại thụ động ta có thể xác định được các thông tin như: tốc độ, độ dài các phương tiện, lưu lượng phương tiện…Thời gian trễ giữa hai tín hiệu nhận được ở hai vùng, ta có thể xác định tốc độ của các phương tiện giao thông khi đi qua vùng này. Ưu điểm của phương pháp này là khi cài đặt không cần phải phá huỷ đường giao thông. Sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực cần phải phát nhiều chùm tia để có thể xác định vị trí, tốc độ, và phân loại. Cảm biến hồng ngoại thụ động thì chỉ cần sử dụng nhiều vùng cảm nhận. Tuy nhiên phản chiếu của ánh sáng mặt trời có thể làm xáo trộn tín hiệu nhận được. Khí quyển và điều kiện thời tiết khắc nghiệt có thể làm nhiễu loạn hoặc hấp thụ năng lượng hướng tới mặt phẳng tiêu diện của hệ quang học. 1.2.5 Cảm biến từ Cảm biến từ là loại thiết bị thụ động, biến đổi sự thay đổi của từ trường thành các thông số mong muốn. Cảm biến từ có thể được phân loại theo nhiều cách. Xét theo vùng từ trường làm việc, cảm biến từ được phân làm ba loại: cảm biến trong vùng từ trường thấp, từ trường trung bình, và từ trường lớn. Cảm biến trong vùng từ trường 10 thấp là loại cảm biến mà chỉ có thể phát hiện được từ trường nhỏ hơn 1microgauss. Các cảm biến phát hiện được từ trường trong vùng từ 1 microgauss đến 10 gauss, được coi là cảm biến trong vùng từ trường trung bình. Cảm biến phát hiện từ trường lớn hơn 10 gauss, là loại cảm biến từ trường lớn. Hình 7. Vùng làm việc của một số loại cảm biến từ Các phương tiện giao thông như ôtô, môtô đều chứa các thành phần làm từ vật liệu sắt từ. Do đó, phương tiện sẽ làm nhiễu loạn từ trường trái đất tại điểm chúng đi qua. Từ hình 7 ta thấy rằng cảm biến từ chế tạo từ vật liệu có hiêu ứng từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistive Resistance - AMR) có dải làm việc phù hợp cho việc đo từ trường trái đất. Vì thế chúng có thể ứng dụng cho các thiết bị nhận biết phương tiện giao thông. Nghiên cứu của em sẽ tập trung vào việc xây dựng một thiết bị nhận biết phương tiện giao thông dựa trên cảm biến từ trở dị hướng. 11 Chương 2 Cảm biến từ trở dị hướng 2.1 Cơ bản về vật liệu từ Để hiểu về các cảm biến từ trở, trước hết chúng ta cần có một số khái niệm cơ bản về vật liệu từ. Các vật liệu bị từ hoá nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vật liệu từ (magnetic material). Từ tính (magnetism) của các vật liệu từ khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc từ của chúng. Ở đây, ta sẽ đề cập ngắn gọn đến một số đại lượng đặc trưng cho các vật liệu từ. Moment từ của các vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích được gọi là độ nhiễm từ M (intensity of magnetization ) hay độ từ hoá, hoặc từ độ (magnetization). Đó là một vector hướng từ cực Nam (S) đến cực Bắc (N) của thanh nam châm. Đơn vị của I là Wbm/m3 = Wb/m2 (Tesla) 1Tesla = 410. 4 1 π gauss = 800 gauss Ngoài độ nhiễm từ I, ta còn sử dụng cảm ứng từ (magnetci induction) hay mật độ từ thông (magnetic flux density) B: HMB 0µ+= (Hệ SI) (2.1) Như vậy đơn vị của B cũng là Wb/m2 . Song khi chuyển sang hệ CGS thì: HB += π4 (Hệ CGS) (2.2) Do đó hệ số chuyển đổi từ hệ SI sang hệ CGS của B và M là khác nhau. Đối với B: 1Wb/m2 (1 Tesla)=104 gauss Mối liện hệ giữa từ trường H và từ hoá M được biểu diễn dưới dạng: HM χ= (2.3) Đại lượng χ đựoc gọi là độ cảm từ (magnetic susceptibility) hay hệ số từ hoá. Đơn vị của χ là Henri/met (H/m), giống đơn vị của 0µ . Độ cảm từ tương đối (không thứ nguyên): 0µ χχ = (2.4) χ trong hệ SI lớn hơn χ trong hệ CGS 4π lần. Như vậy ta có: ( ) HHB µµχ =+= 0 (Hệ SI) (2.5) 12 Đại lượng µ được gọi là độ thẩm từ (magnetic permeability). Đơn vị của µ là H/m. Ta định nghĩa độ thẩm từ tương đối: 1 0 +== χ µ µµ (2.6) µ có giá trị như nhau trong hệ SI và hệ CGS. [1] 2.2 Hiệu ứng từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance Effect) Hiệu ứng từ trở là sự thay đổi giá trị điện trở của vật liệu do tác động của từ trường ngoài. Hiệu ứng từ trở có thể chia làm nhiều loại với bản chất khác nhau như: -Từ trở đẳng hướng (Ordinary Magnetoresistance) -Từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance) -Từ trở khổng lồ (Giant magnetoresistance) -Từ trở xuyên ngầm (Tunneling magnetoresistance) … Trong các loại từ trở này, từ trở dị hướng đã được ứng dụng sớm và rộng rãi nhất. Các hiệu ứng từ trở mới như GMR (Giant Magnetoresistance) và TMR (Tunneling Magnetoresistance) cũng đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh. Trong phần này, chúng tôi tập trung giới thiệu về từ trở dị hướng AMR. Hiệu ứng từ trở dị hướng là hiệu ứng điện trở của vật liệu phụ thuộc vào hướng tương đối giữa vector từ độ của vật liệu và dòng điện đi qua vật liệu. Bản chất vật lý của hiệu ứng từ trở dị hướng là do tương tác spin-quỹ đạo dẫn tới sự tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn. Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng. Trên màng sẽ có một hướng dễ từ hóa (easy axis) và một hướng khó từ hóa trực giao với nó (hard axis). Hướng dễ từ hoá là hướng mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất. Hướng mà khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (chỉ bão hoà ở từ trường cao) [1]. Một thông số quan trọng cảm biến AMR là độ thay đổi điện trở tương đối, ρρ∆ , là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở và điện trở của màng khi mà vector từ hoá quay 900 so với trục dễ bởi tác động của từ trường ngoài (khi đó vector từ hóa trùng với trục khó). 13 Hình 8. Sự thay đổi của điện trở do tác động của từ trường ngoài. Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ là rất phức tạp. Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector từ hoá trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà SM , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của vector này. Thứ hai, ta xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh đơn giản, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vector từ độ (vector từ hoá), và mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài tác động. Hình 9. Từ trường tác động lên màng mỏng Permalloy Điện trở R có thể xác định thông qua góc Θ , góc giữa vector cường độ dòng điện và vector từ độ: Θ∆+=Θ∆+=Θ 2 ,0 2 ,0 coscos)( RRbd l bd lR pn ρρ (2.7) 14 Trong phương trình trên: n,0ρ và ρ∆ là hằng số của vật liệu, l là độ dài, b là độ rộng và d là độ dày của băng trở (một màng mỏng vật liệu dị hướng từ). nR ,0 là điện trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ, và R∆ là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài [6]. Hình 10. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vector từ hoá. Khi dòng điện chạy theo chiều x, ta thu được một điện áp Ux: Θρ∆ρ 2 ,0 cosbd lI bd lIU nx += (2.8) Vector từ độ trong màng sẽ định theo hướng mà tổng năng lượng của nó là nhỏ nhất. Những năng lượng quan trọng nhất bao gồm: năng lượng do từ trường ngoài tác động, năng lượng dị hướng của vật liệu (hay năng lượng dị hướng từ tinh thể), và năng lượng khử từ (năng lượng hình dạng dị hướng). Với tổng trường dị hướng sMKH 00 /2 µ= (với K là hệ số dị hướng), góc giữa vector M và trục dễ (theo hướng x) khi Hx=0 là: 0 sin H H y =ϕ (2.9) với -1<Hy/H0<1 )sgn(sin 0H H y =ϕ (2.10) với Hy/H0 ngoài khoảng trên Xác định góc giữa M và trục dễ và sự phụ thuộc của điện trở vào hướng của vector M sẽ được kết hợp để xây dựng cảm biến [4]. 15 RRR np ∆−= ,0,0 22 ,0,0 ,00 np n RRRRR + =+= ∆ (2.11) R0 là giá trị trở trung bình. Như vậy ta có: )(sin)( 2 ,0 Θ∆Θ RRR n −= (2.12) Khi từ trường ngoài rất lớn, làm quay hẳn vector M sang hướng trục khó, khi đó đạt tới trạng thái bão hoà: 2 0 ,0 )()( H H RRHR yny ∆−= , với |Hy|<=H0 (2.13) ny RHR ,0)( = , với |Hy|>H0 Như vậy điện trở phụ thuộc không tuyến tính vào từ trường ngoài. Hơn nữa, độ cảm biến ydHdR là rất nhỏ, xấp xỉ bằng không (và bằng không khi mà Hy=0). Hình 11. Sự phụ thuộc của điện trở vào từ trường ngoài tác dụng. Để làm giảm bớt những nhược điểm của hiệu ứng này, trong thực tế người ta đưa ra cấu trúc barber pole khi chế tạo cảm biến. Cấu trúc barber pole bao gồm một số băng trở làm bằng các vật liệu dẫn điện tốt, được sắp xếp sao cho dòng điện chạy qua từng băng hợp với trục x (hướng dòng điện) một góc 450 . Một cách toán học, barber pole được biểu diễn bằng góc 045=ψ , khi đó góc Θ là: ψϕΘ −= (2.14) điều này dẫn đến kết quả: 16 2 00 0 1)( ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −+= H H H H RRHR yyy ∆ (2.15) Như vậy, cảm biến AMR với cấu trúc barber pole sẽ làm giảm tính phi tuyến khi Hy<H0/2, độ phi tuyến sẽ không quá 5%. Đặc tính này chỉ đúng nếu vector từ độ ban đầu nằm theo hướng x, khi không có tác động của từ trường ngoài. Điện trở sẽ thay đổi dấu nếu vector từ độ ban đầu lật theo hướng âm của trục x. Để có thể xác định sự thay đổi điện trở sang thành thông tin về điện áp mà không có thành phần một chiều DC, cảm biến được thiết kế như là một mạch cầu Wheatstone với 4 thành phần trở riêng biệt với cấu trúc barber pole theo các góc 450 và 1350 cho các điện trở chéo nhau (hình 12). Nhờ đó, có thể tạo ra điện trở thay đổi R∆ âm và dương trong vùng tuyến tính. Cấu trúc này cũng có thể bù trừ sai số do sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ. Hình 12 Cấu trúc mạch cầu Wheatstone khi chế tạo cảm biến từ trở dị hướng. Điện áp lối ra của mạch cầu Wheatstone thu được: 2 000 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= H H H H R RUU YYBA ∆ (2.16) Độ cảm nhận của cảm biến: 00 0 1 HR RS ∆= (2.17) Như vậy ta thấy, độ cảm nhận S0 sẽ tăng khi sử dụng vật liệu làm có hiệu ứng AMR cao và với trường H0 thấp. Vùng tuyến tính của cảm biến với sai số không quá 5% trong dải –H0/2 đến H0/2 [4]. 17 Các cảm biến AMR có đặc tính là nhạy với sự thay đổi ở từ trường thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Khả năng thay đổi điện trở lớn nhất của hiệu ứng này có thể lên tới 3-4%. Các cảm biến loại này có thể được tạo ra với số lượng lớn và giá rẻ. Các cảm biến từ trở ngày nay được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng trong đời sống như: đo từ trường trái đất, làm la bàn, cảm biến vị trí hoặc cho xác định từ trường sinh học . 18 Chương 3 Ứng dụng cảm biến từ trở dị hướng để nhận biết phương tiện giao thông 3.1 Mô tả ứng dụng Trong các phương tiện giao thông như ôtô, tàu hoả…có chứa các thành phần được chế tạo từ vật liệu sắt từ. Các vật liệu này sẽ tác động lên từ trường trái đất, làm thay đổi đường sức từ tại nơi mà chúng xuất hiện. Ta biết rằng đường sức từ do trái đất sinh ra, là các đường cong kín mà nó đi ra từ bắc cực và vào cực nam. Do diện tích bề mặt trái đất là rất lớn, nên ta có thể coi từ trường trái đất trên một vùng diện tích rộng là từ trường đều. Cảm biến từ trở AMR được tối ưu hoá để phát hiện sự thay đổi từ trường trong vùng từ trường trái đất. Do đó, các cảm biến này có thể phát hiện được sự thay đổi từ trường do các phương tiện như ô tô, tàu hoả, môtô… gây ra. Trong ôtô có các thành phần được làm từ các vật liệu sắt từ như: vỏ, vành xe, trục động cơ…Các thành phần này có thể coi như là tổ hợp của các lưỡng cực từ, các lưỡng cực từ này sẽ làm nhiễu loạn từ trường trái đất xung quanh chúng. Hình 13. Xe ô tô làm nhiễu loạn đường sức từ trường của trái đất. 3.1.1 Sơ đồ khối và chức năng Trong ứng dụng này, chúng tôi xây dựng khối thiết bị phát hiện xe ô tô chuyển động qua và thực hiện đếm số xe qua vị trí này trong khoảng thời gian định 19 trước. Hình vẽ 15 mô tả sơ đồ khối thiết bị phát hiện phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ trở dị hướng. Tín hiệu thu được từ cảm biến là điện áp. Khi từ trường xung quanh cảm biến không thay đổi, điện áp lối ra là không đổi (background). Điện áp lối ra từ cảm biến sẽ thay đổi khi từ trường xung quanh thay đổi. Tín hiệu điện áp này được đưa đến bộ khuếch đại nhằm khuếch đại và dịch mức tín hiệu. Sau khi qua khối khuếch đại, tín hiệu được đưa tới vi điều khiển AT90S8535. Trong vi điều khiển loại này có khối chức năng biến đổi ADC và khối truyền thông nối tiếp UART. Khối biến đổi tương tự số ADC sẽ chuyển đổi tín hiệu điện áp tới lối vào thành các giá trị số dạng BCD. Các giá trị số đó sau khi qua tiền xử lý, sẽ được gửi về máy tính nhờ khối chức năng truyền thông nối tiếp. Trên máy tính PC, có một phần mếm thu nhận dữ liệu gửi về, và thực hiện xử lý dữ liệu này để vẽ lên màn hình PC dạng tín hiệu thu được và xác định lưu lượng ô tô di chuyển qua khối thiết bị. Hình 14. Sơ đồ khối mô tả ứng dụng Trong thực tế, độ nhạy của cảm biến sẽ bị giảm sau khi được đặt trong từ trường lớn. Vì vậy cần phải thiết lập lại trạng thái ban đầu cho cảm biến, để khôi phục độ nhạy. Mạch tạo xung Set/Reset sẽ thực hiện chức năng này. 20 3.1.1.1 Cảm biến từ trở HMC 1052 HMC 1052 là loại cảm biến từ trở dị hướng có hai trục cảm biến X và Y (nhạy với sự thay đổi từ trường theo hai hướng đó). Cảm biến này được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, với hợp chất Permalloy (80 % Ni và 20 % Fe), các băng trở được tạo ra trên các màng silicon. Trong khi chế tạo, các băng trở được đặt trong điều kiện từ trường mạnh để tạo ra một hướng ưu tiên cho vector từ hoá M (tạo trục dễ cho cảm biến). Vector từ hoá M sẽ được thiết lập song song với chiều dài của băng trở, và có thể đặt hoặc theo hướng trái hoặc theo hướng phải. Các băng trở được sắp xếp chéo nhau trên màng mỏng Silicon (theo cấu trúc barber pole), và được nối tiếp nhau bởi các chất dẫn điện tốt (như Au), để tạo thành một điện trở. Hình 16 minh hoạ băng trở được chế tạo theo cấu trúc xếp chéo nhau (barber pole) để tối ưu hoá độ nhạy của hiệu ứng từ trở. Cảm biến HMC1052 được chế tạo theo cấu hình mạch cầu Wheatstone. Mạch cầu bao gồm 4 trở thành phần, các trở được chế tạo từ vật liệu Permalloy. Bất cứ một sự thay đổi từ trường nào xung quanh cảm biến, làm cho độ lớn của các trở thành phần thay đổi, do đó làm cầu mất cân bằng, và điện áp lối ra của mạch cầu thay đổi. Mỗi cầu trở sẽ được định sao cho nó nhạy cảm với độ thay đổi từ trường theo một hướng nhất định. Hình 15. Vector từ hoá ban đầu được xác lập theo một hướng ưu tiên (easy axis) 21 Trong HMC 1052 có hai mạch cầu Wheatstone, được định sao cho mỗi cầu sẽ nhạy với một trục (X và Y trong hệ không gian Decac) (Hình 17). Hình 16. Cấu trúc và đường đặc trưng của cảm biến từ trở HMC1052 22 Độ cảm nhận của cầu, S, được biểu diễn dạng mV/V/Oe. Đơn vị ở giữa là đơn vị của điện áp cung cấp cho mạch cầu, gọi là Vb. Khi Vb = 5V và độ cảm nhận bằng 3 mV/V/Oe, thì điện áp lối ra sẽ đạt 15 mV/Oe . Với tầng khuếch đại phù hợp nối với lối ra của mạch cầu, ta có thể phát hiện được điện áp đến 1µV. Lối ra này tương ứng với độ phân giải từ trường 67 µOe, hay 1 phần 15,000/Oe. Nếu lối ra của cầu được khuếch đại 67 lần, thì điện áp lối ra có thể đạt 1 V/Gauss (= 67. 15,000 mV/Gauss). Nếu dải đo của cảm biến là 2 Gauss thì điện áp lối ra có thể là 4 V, thay đổi quanh giá trị 2,5V. Mức tín hiệu này là phù hợp với hầu hết các bộ biến đổi A/D. HMC1052 có thể cảm nhận được sự thay đổi từ trường (độ phân giải) đến 120 µG (khi điện áp nuôi là 5V), hoạt động ổn định ở từ trường thấp, trong dải từ trương của trái đất. Độ cảm nhận khi dòng Set/Reset =0.5A có thể đạt 0.8 mV/V/gauss (khi Vb=1.8 V) đến 1.2 mV/V/gauss (khi Vb=20 V) [3]. Hình 16 thể hiện đặc trưng của cảm biến HMC1052. Qua đường đặc trưng này ta nhận thấy, trong vùng từ trường tác động từ -10 Oe đến +10 Oe thì điện áp lối ra của cầu phụ thuộc tuyến tính theo sự thay đổi của từ trường. 3.1.1.2 Khối khuếch đại Do hiệu ứng từ trở dị hướng trong Permalloy làm thay đổi giá trị điện trở khoảng 3%-4%, tín hiệu thay đổi điện áp lối ra của mạch cầu là rất nhỏ. Tín hiệu này cần phải được khuếch đại đủ lớn trước khi xử lý. Khối khuếch đại bao gồm hai tầng khuếch đại: tầng tiền khuếch đại và tầng khuếch đại và dịch mức. Trong tầng tiền khuếch đại, khuếch đại công cụ AD620N được sử dụng. AD620N với kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp ( dòng cực đại 1.3mA), rất phù hợp cho các ứng dụng sử dụng battery, hoặc các ứng dụng có thể mang, xách được hoặc cho các ứng dụng điều khiển từ xa. Điện áp điểm không thấp (lớn nhất = 50 µV), trôi do nhiệt thấp (khoảng 0.6 µV/0C), AD620 là bộ khuếch đại lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Bộ khuếch đại này rất phù cho tầng tiền khuếch đại bởi nhiễu điện áp lối vào là nhỏ (9 nV/ Hz tại 1KHz). Đặc biệt AD620 có hệ số khuếch đại thay đổi chỉ thông qua việc điều chỉnh một điện trở ngoài. Thông qua việc lựa chọn giá trị điện trở bên ngoài, hệ số khuếch đại của AD620N có thể đạt từ 1 đến 1000. Hệ số khuếch đại của tầng được xác định theo công thức: 14.49 +Ω= GR kG (3.1) với RG là điện trở ngoài. 23 Trong ứng dụng, điện trở R3 = 1k, hệ số khuếch đại của tầng đạt được G = 50. Tín hiệu thu được từ cảm biến, sau khi qua tầng tiền khuếch đại, được đưa tới tầng khuếch đại thứ hai. Tầng khuếch đại thứ hai sẽ thực hiện khuếch đại và dịch mức tín hiệu. Trong tầng này sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, với nguồn điện áp nuôi là đơn. Thông qua hiệu chỉnh biến trở R13 (R19) ta sẽ thực hiện dịch mức thế Offset (background). Nguyên nhân của việc phải điều chỉnh mức thế nền, là điện áp lối ra từ cảm biến ở trong từ trường ổn định là khác nhau khi đặt theo các hướng khác nhau so với hướng Bắc-Nam của từ trường trái đất. Do điện áp nuôi đơn (0 – 5V), ta cần phải thực hiện dịch mức tín hiệu nền về khoảng 2.5V. Điều này đảm bảo cho sự thay đổi tín hiệu tăng hoặc giảm (một cách tương đối so với mức thế nền) sẽ ở trong dải lối ra cho phép của khuếch đại. Với hệ số khuếch đại thích hợp, ở lối ra ta thu được tín hiệu có biên độ thích hợp với lối vào bộ biến đổi ADC. 3.1.1.3 Khối biến đổi tương tự - số (ADC) Ứng dụng này sử dụng vi điều khiển họ AVR, loại AT90LS8535. Trong vi điều khiển này có hỗ trợ chức năng biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Conveter). Bộ biến đổi tương tự này sử dụng 10-bit, thời gian biến đổi có thể từ 125 µs đến 500 µs (phụ thuộc vào việc chọn tần số lấy mẫu). Điều đặc biệt, trong vi điều khiển họ AVR có 8 lối vào biến đổi ADC được ghép kênh. Tín hiệu lối vào sẽ được qua bộ ghép kênh chọn lối vào, đến bộ lấy và giữ mẫu. Phương pháp được sử dụng trong bộ biến đổi này là thực hiện xấp xỉ liên tiếp. Giá trị lấy mẫu được sẽ được chuyển đổi sang giá trị số dạng nhị phân 10-bit. Một bộ biến đổi DAC sẽ thực hiện biến đổi ngược lại, từ giá trị số đó sang thành tín hiệu tương tự. Giá trị điện áp thu được sẽ đưa tới bộ so sánh, lối ra của bộ so sánh sẽ quyết định giá trị số trong bộ biến đổi số có được đưa tới lối ra hay không. Với 3 thanh ghi, ADCMUX (ADC multiplexer select), ADCSR (ADC control and status register)và ADCH/ADCL (ADC data register) sẽ điều khiển toàn bộ hoạt hoạt động của bộ biến đổi ADC này. Có hai chế độ hoạt động cho bộ biến đổi ADC, chế độ biến đổi tự động (Free Running Conversion) và chế độ biến đổi đơn (Single Conversion). Trong chế độ biến đổi tự động, ADC sẽ biến đổi liên tục sau khi được kích hoạt. Trong khi đó, ở chế độ biến đổi đơn, trước mỗi lần biến đổi cần phải kích hoạt ADC. 24 Hình 17. Sơ đồ biến đổi ADC trong vi điều khiển AT90S8535 Thanh ghi ADMUX cho phép lựa chọn bộ biến đổi ADC từ 8 bộ biến đổi ADC được ghép kênh. Tổ hợp của 3 bit MUX2, MUX1 và MUX0, sẽ cho phép chọn bộ ADC tương ứng. Thanh ghi ADCSR cho phép thiết lập chế độ hoạt động của bộ biến đổi ADC. ADEN= 0 ->không cho phép biến đổi 1 ->cho phép biến đổi ADSC= 1 ->bắt đầu biến đổi ADFR= 0 ->chế độ biến đổi đơn 1 ->chế độ biến đổi tự do ADIF= 1 ->biến đổi xong ADPS2, ADPS1, ADPS0 -> Chọn xung Clock lối vào cho bộ biến đổi ADC Chọn lối vào ADC ADMUX = 0 (1..7) Start Thiết lập ADCSR Bắt đầu biến đổi ADSC=1 Đọc dữ liệu ADCL, ADCH End ADIF=1 25 Đọc dữ liệu khi ADC biến đổi hoàn thành được thực hiện theo trình tự, đọc byte thấp trước, byte cao đọc sau. 3.1.1.4 Khối truyền thông nối tiếp(UART) Trong AT90S8535 có khối thực hiện thu phát nối tiếp không đồng bộ, với các đặc điểm chính: o Có thể tạo ra nhiều tốc độ Baud khác nhau. o Có thể truyền thông dữ liệu có độ dài 8 hoặc 9 bit. o Có lọc nhiễu, phát hiện lỗi: lỗi khung truyền, lỗi bit start. o Có các ngắt truyền, nhận và ngắt thanh ghi dữ liệu trống. o Có bộ đệm truyền và phát (kích thước có thể là 8 hoặc 9 bit). Việc thiết lập truyền thông nối tiếp đối với UART trong vi điều khiển là đơn giản. Quá trình thiết lập và hoạt động hoàn toàn giống với trên máy tính. Trong ứng dụng, ta cần thu nhận dữ liệu là điện áp từ lối ra của cảm biến đã được biến đổi ADC. Giá trị ADC của một lần biến đổi có độ dài 10 bit, trong khi khối truyền thông nối tiếp không hỗ trợ truyền dữ liệu dài đến 10 bit. Do đó dữ liệu cần được xử lý trước khi truyền về máy tính. Dữ liệu 10 bit sẽ được tách và truyền theo hai byte, byte thấp và byte cao (byte thấp mang 7 bit thấp, byte cao mang 3 bit cao của giá trị ADC). Tuy nhiên các byte này cần phải được đánh dấu, để bên thu phân biệt được. Phương pháp đánh dấu bit được đưa ra ở đây là sử dụng bit cao nhất của mỗi byte truyền để đánh dấu, cụ thể: 1 thể hiện byte cao, 0 thể hiện byte thấp. Trong ứng dụng, hai bộ biến đổi ADC (ADC0 và ADC1) được sử dụng tương ứng với hai trục cảm biến, do đó khung dữ liệu sẽ có 4 byte dữ liệu. Việc phân biệt dữ liệu của từng trục trong khung là cần thiết. Giá trị 0xFF đánh dấu cho dữ liệu của ADC0, 0xFE đánh dấu cho dữ liệu ADC1. Hai giá trị trên được sử dụng để đánh dấu bởi vì các byte dữ liệu truyền sẽ không có giá trị như vậy Như vậy một khung dữ liệu truyền dài 6 byte, cụ thể như sau: Hình 18. Khung dữ liệu truyền về máy tính. 26 3.1.1.5 Mạch thực hiện tạo xung Set/Reset Cảm biến AMR được thiết kế theo cấu hình mạch cầu Wheatstone, với 4 thành phần từ trở, có điện áp lối ra xác định khi không có từ trường ngoài tác dụng. Cảm biến HMC 1052 được tối ưu hoá để hoạt động trong vùng tuyến tính (sự phụ thuộc của điện trở biến thiên theo giá trị góc giữa dòng điện và vector từ hoá là tuyến tính). Do đó độ lớn của từ trường chỉ trong khoảng nhất định, thì cảm biến mới có độ nhạy tốt nhất. Hình 19. Điện trở thay đổi tuyến tính trong vùng xung quanh giá trị góc 450. Ban đầu khi từ trường là ổn định, các moment từ đồng hướng. Khi có sự thay đổi của từ trường, các moment từ sẽ bị quay, vùng từ bị nhiễu loạn, hướng của các moment từ là không xác định. Nếu sự thay đổi từ trường là nhỏ, thì sau đó các moment từ sẽ tự động trở lại trạng thái ban đầu, và do đó vector từ hoá trở lại trạng thái ban đầu. Vì vậy, trong lần sau, độ nhạy của cảm biến với sự thay đổi từ trường vẫn tốt. Trong trường hợp, sự thay đổi từ trường là quá lớn, vượt quá giới hạn cho phép của cảm biến (vượt ra ngoài vùng làm việc tuyến tính của cảm biến), thì vector từ hoá sẽ không trở lại trạng thái ban đầu khi từ trường đã ổn định trở lại. Vì vậy làm giảm hẳn độ cảm nhận của cảm biến đối với từ trường thay đổi. 27 Hình 20. Ba ví dụ về hướng của vector từ độ trong cấu trúc miền của màng Vùng hoạt động tuyến tính của cảm biến loại HMC1052 là 6± gauss. Nếu cảm biến này đặt trong từ trường nhỏ hơn 20 gauss thì moment từ sẽ trở lại trạng thái đã thiết lập ban đầu. Do đó không cần thiết phải thiết lập lại hướng vector từ hoá. Để phục vụ cho việc Set/Reset, trong cảm biến HMC1052 có các cuộn dây quấn cố định xung quanh các trở thành phần của cảm biến (còn gọi là strap). Khi có dòng điện chạy qua, các cuộn dây sẽ tạo ra từ trường ở xung quanh. Để có thể thiết lập lại hướng các moment từ, yêu cầu phải có từ trường mạnh tác động. Vì vậy dòng cung cấp cho các cuộn dây này cần phải lớn, để có thể tạo ra từ trường lớn xung quanh các trở thành phần. Thời gian có từ trường thực hiện Set/Reset là rất nhỏ (khoảng 25µs) 28 Hình 21. Sơ đồ mạch thực hiện tạo xung Set/Reset Sơ đồ trên sẽ thực hiện tạo xung vi phân từ xung vuông được tạo ra do vi điều khiển hoặc do tác động nút Reset. Trong sơ đồ trên sử dụng Darlington loại NPN D1275. Đây là transistor Darlington, nó có thể chịu dòng lớn lến tới 2A. Trên lối ra Collector của D1275, sử dụng trở công suất R47 = 10 Ω . Trở này có thể chịu được công suất toả nhiệt tới 5W. Như vậy tín hiệu lối ra có dòng ~ 0.5 A. Trong thiết bị mà chúng tôi xây dựng, việc thực hiện tạo xung Set/Reset có thể thực hiện tự động thông qua vi điều khiển hoặc có thể thông qua nút nhấn. Hình 22. Bản mạch in hoàn chỉnh 29 3.2 Kết quả thực nghiệm và nhận xét Bản mạch hoàn chỉnh của thiết bị được xây dựng như trong hình 22. Cảm biến được đặt tại phía ngoài của mạch để tối ưu khoảng cách từ cảm biến tới các vật thể cần phát hiện. Nhiệm vụ của thực nghiệm là kiểm tra về mặt định tính và định lượng các chức năng của thiết bị: phát hiện xe ôtô, đếm lưu lượng xe ôtô, tính vận tốc của xe khi đi qua thiết bị… Trong thực nghiệm của chúng tôi, thiết bị được đặt trên vỉa hè (tại điểm nút cầu vượt Mai Dịch). Khoảng cách từ thiết bị tới làn đường gần nhất là 1m, tới làn đường thứ hai là 3m. Ở đây chúng tôi thực hiện hai cấu hình phục vụ cho thí nghiệm. Cấu hình thứ nhất, thiết bị gồm 1 cảm biến HMC1052 (Hình 23), có hai trục cảm biến. Cấu hình này nhằm mục đích phát hiện các xe ô tô chuyển động qua và đếm lượng xe qua thiết bị trong 1 khoảng thời gian định trước. Thiết bị được đặt sao cho trục cảm nhận X sẽ vuông góc với hướng của làn chuyển động của các xe, còn trục Y dọc theo làn đường và có hướng cùng với hướng chuyển động của các phương tiện. Hình 23. Cấu hình cảm biến đặt trên vỉa hè làn đường giao thông Trên máy tính có phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu (phần mềm này được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0), có giao diện thân thiện và thể hiện các thông số như: dạng tín hiệu, lưu lượng xe qua thiết bị, thời gian đếm xe… Dưới đây là một số dạng tín hiệu thu được khi có xe ôtô đi qua thiết bị: 30 Hình 24. Dạng tín hiệu thu được khi xe tải - xe tải – xe con đi qua cảm biến Hình 25. Dạng tín hiệu thu được trên trục cảm biến X khi xe Bus đi qua 31 Qua các dạng tín hiệu thu nhận được ta thấy rằng, biên độ của biến thiên tín hiệu thu được khi có xe ôtô đi qua phụ thuộc vào từng loại xe ôtô. Đối với những xe có nhiều thành phần sắt từ hơn, xe dài hơn, có nhiều bánh hơn…độ rộng tín hiệu biến thiên lớn hơn và biên độ lớn hơn (xét khi các xe chạy cùng một làn đường),đây là đặc điểm quan trọng giúp phân loại các xe ôtô. Một yếu tố khác cũng làm thay đổi độ rộng tín hiệu biến thiên, đó là tốc độ chuyển động của các xe khi đi qua cảm biến. Với cùng một xe ôtô, nếu ôtô chuyển động với vận tốc chậm, thì độ rộng tín hiệu biến thiên sẽ lớn hơn khi xe chuyển với vận tốc nhanh hơn. Khoảng cách từ cảm biến tới các xe ôtô quyết định đến biên độ của thay đổi tín hiệu. Bằng thuật toán và giá trị ngưỡng phù hợp, thiết bị đã nhận biết và tính được lưu lượng xe ôtô qua cảm biến. Giá trị ngưỡng đựơc lựa chọn thông qua các kết quả thực nghiệm. Hình 26. Thuật toán xác định lưu lượng xe ôtô chuyển động qua thiết bị 32 Để kiểm tra độ chính xác và ổn định của thiết bị khi tính lưu lượng xe ôtô, chúng tôi thực hiện nhiều phép đo ở nhiều khoảng thời gian khác nhau. Kết quả thu được từ thiết bị sẽ được so sánh với kết quả đếm thủ công, từ đó xác định sai số của thiết bị. Hình 27 là kết quả của hai lần đo tại điểm nút giao thông cầu Mai Dịch..Qua hai lần đo, sai số của kết quả do thiết bị trong lần đo 1 là 10%, lần 2 là 7.5%. Nguyên nhân chính dẫn đến sai số của thiết bị đo là do thuật toán phát hiện xe ôtô. Trong thuật toán trên (hình 26), hai giá trị ngưỡng được lựa chọn để so sánh, phát hiện xe. Khi xe ôtô chuyển động ở khoảng cách xa thiết bị thì độ biến thiên của tín hiệu là rất nhỏ, dưới mức giá trị ngưỡng đã chọn. Do đó các xe này sẽ không được thiết bị phát hiện. Một nguyên nhân khác gây ra sai số đó là trường hợp khi có hơn một xe cùng đi qua thiết bị, thiết bị chỉ coi là có một xe. Tuy nhiên trên tại các vị trí chỉ có một làn xe ôtô, thì nguyên nhân này được bỏ qua. (a) (b) Hình 27. Kết quả tính lượng xe tại điểm nút cầu Mai Dịch: (a) Trên cầu, từ 10h 30 đến 10h 45 (b)Trên cầu, từ 11h đến 11h 10 Kết quả thực nghiệm cũng đã kiểm tra vùng phát hiện xe của thiết bị. Trong vùng có bán kính 3 m, thiết bị sẽ nhận biết được và được tính khi cần xác định lưu lượng. Một thông số quan trọng trong việc xác định vận tốc của xe đó là giới hạn vận 33 tốc mà thiết bị có thể phát hiện được. Trong thực nghiệm, xác định được giới hạn này là khó khăn. Tuy nhiên theo lý thuyết, giới hạn này là hoàn toàn xác định. Thông qua vùng phát hiện của thiết bị và tốc độ thu nhận dữ liệu về máy tính xử lý, giới hạn vận tốc này được xác định. Về cơ bản, cảm biến phát hiện được nhiễu loạn từ trường tới tần số 15MHz, tốc độ biến đổi của ADC đạt 2.000 mẫu/s. Các thao tác xử lý và việc truyền thông giữa thiết bị và máy tính làm cho tốc độ lấy mẫu thực đạt được trên máy tính là 30 mẫu/second. Như vậy thời gian giữa hai mẫu là : 033.0 30 1 = (s) Do đó vận tốc đạt được là: )/(324)/(90 033.0 3 hkmsm ≈≈ Trong thực tế điều kiện giao thông ở nước ta, thì giới hạn này chấp nhận được. Với nhiều phép đo thực hiện ở nhiều thời điểm trong ngày, cho phép đưa ra lưu đồ thể hiện lưu lượng xe qua điểm nút đặt thiết bị trong ngày. Điều này rất có ý nghĩa khi cần giám sát hoạt động giao thông trên các làn đường, đường xa lộ, đường cao tốc…Ví dụ: hệ thống quản lý có thể cảnh báo khả năng tắc ngẽn có thể xảy ra ở các thời điểm trong ngày. Hình 28. Cấu hình khi sử dụng hai cảm biến đặt cách nhau 2m Trên cơ sở phát hiện được các xe ôtô, thiết bị có thể cải tiến để xác định được tốc độ của các xe ôtô. Bằng cấu hình sử dụng hai cảm biến đặt cách nhau s = 2 m, ta có thể xác định chính xác vận tốc của chúng. Thông qua xác định thời điểm xe đi qua hai cảm biến, t1 và t2, vận tốc của xe được xác định. 34 12 ttt −=∆ (2.2) t s v ∆ = Một vấn đề được đặt ra đó là nhận biết chính xác xe khi đi qua 2 cảm biến để xác định thời điểm qua cảm biến của từng xe. Do đặc điểm của cấu hình và các linh kiện phụ điện tử thụ động khác trong thiết bị, nên tín hiệu thu về từ hai cảm biến đối với cùng một xe là không hoàn toàn giống nhau (về độ rộng tín hiệu biến đổi, biên độ biến đổi…). Trong sự sai khác cho phép giữa hai tín hiệu thu về từ hai cảm biến, thiết bị sẽ nhận biết là cùng một xe. Trong điều kiện bình thường, khi các xe ôtô chạy ở khoảng cách an toàn thì việc phân biệt xe là dễ dàng. Vận tốc thu được sẽ là vận tốc tức thời của xe ở thời điểm đi qua thiết bị. Để giám sát được hoạt động giao thông trong một vùng, cần thiết có nhiều thiết bị đặt tại nhiều vị trí và được kết nối với trạm trung tâm. Tuy nhiên công việc này đòi hỏi có sự đầu tư lớn về nhiều mặt. Thiết bị chúng tôi xây dựng được là cơ sở cho việc xây dựng hệ thống lớn trong tương lai. 35 Kết luận Thiết bị chúng tôi xây dựng có khả năng nhận biết xe ôtô khi chúng chuyển động qua ở khoảng cách không quá 3 m. Thuật toán đếm xe áp dụng cho thiết bị, đã được kiểm nghiệm trong thực tế, thu được kết quả khả quan với độ chính xác 92%. Phần cứng của thiết bị đã được xây dựng có khả năng tính vận tốc xe ôtô khi chúng đi qua điểm khả sát. Trong thời gian gấn, chúng tôi sẽ nâng cấp phần mềm để đếm xe chính xác hơn, và xác định được tốc đô của các xe ôtô khi chúng đi qua. Các kết quả thu được khi thực nghiệm tại điểm nút giao thông cầu vượt Mai Dịch, bước đầu đã khảo sát được độ chính xác của ứng dụng. Thiết bị đã xác định được thông số cơ bản là lượng xe chuyển động qua một điểm, và hoàn toàn có khả năng xác định được thông số vận tốc của xe khi nâng cấp phần mềm.Việc xây dựng một khối đo này thành công sẽ đảm bảo cho khả năng xây dựng một mạng giữa các khối đo. Các khối đo này có thể được đặt tại nhiều điểm nút giao thông. Đó là cơ sở để xây dựng một hệ thống giám sát giao thông hoàn thiện. 36 Tài liệu tham khảo [1] GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ, “Vật lý và các hiện tượng từ”, NXB ĐHQG Hà nội. [2] Micheal J.Caruso, Lucky S.Withanawasam, “Vehicle detection and Compass Applications using AMR Magnetic sensors”. [3] Application Notes AN-201, 202, 204, and 207 Honeywell SSEC, www.ssec.honeywell.com [4] B.B.Pant, “Magnetoresistive Sensors”, Scientific Honeyweller. [5] “1, 2 and 3-axis magnetic sensors”, Datasheets, www.ssec.honeywell.com [6] Steven A.Macintyre, “Magnetic Field Measurement”. [7] “A summary of Vehicle Detection and Surveillance Technologies used in Intelligent Transportation Systems” [8] “Freeway Operations Handbook”, Chapter15: “Detection and Surveillance” r15_01.htm. 37 Phụ lục 1 Một số tín hiệu thu được tương ứng với xe ôtô chuyển động qua thiết bị 38 Phụ lục 2 Mã chương trình viết cho vi xử lý AT90S8535 /**************************************************************/ // Chuong trinh thuc hien gui cac gia tri ADC bien doi duoc /**************************************************************/ #include"io8535v.h" #include"macros.h" #include"math.h" void Init_adc0(); void Init_adc1(); void Init_uart(); void send_byte(unsigned char temp); void delay(unsigned int interval); /**********************************************************/ void main() { unsigned char low_byte_0,high_byte_0,low_byte_1,high_byte_1; unsigned char tmp_low_0,tmp_high_0,tmp_low_1,tmp_high_1; unsigned int i; low_byte_0=0; high_byte_0=0; low_byte_1=0; high_byte_1=0; tmp_low_0=0; tmp_high_0=0; tmp_low_1=0; tmp_high_1=0; Init_uart(); SREG|=0x80;//Enable global interrupt //Get data from AMR sensor (with 2-sensitive axis) //firstly X-axis, then Y-axis while(1) { //Use ADC0 Init_adc0(); 39 ADCSR|=0x40;//Start conversion while((ADCSR & 0x10)==0x00){;}//Waiting for ADC conversion complete tmp_low_0=ADCL; tmp_high_0=ADCH; delay(3); Init_adc1(); low_byte_0=tmp_low_0 & 0x7F; high_byte_0=((tmp_high_0>7); ADCSR|=0x40;//Start conversion while((ADCSR & 0x10)==0x00){;}//Waiting for ADC conversion complete tmp_low_1=ADCL; tmp_high_1=ADCH; //Encode the data low_byte_1=tmp_low_1 & 0x7F; high_byte_1=((tmp_high_1>7); //Gui du lieu theo khung duoc dinh dang Frame= 0xFF send_byte(0xFF); delay(20); //Gui du lieu kenh X send_byte(low_byte_0); delay(20); send_byte(high_byte_0); delay(20); //Gui du lieu cua truc Y send_byte(0xFE); delay(20); send_byte(low_byte_1); delay(20); send_byte(high_byte_1); delay(10); } 40 } /*************************************************************/ void Init_adc0() { ADCSR=0x80;//ADEN_ADSC_ADFR_ADIF_ADIE_ADPS2_ADPS1_ADPS0 ADMUX=0x00;//Channel 0 } /*************************************************************/ void Init_adc1() { ADCSR=0x80;// ADMUX=01;//Select channel 1 } /*************************************************************/ void Init_uart() { UBRR=51;//Chon toc do Baud =9600 UCR=0x18; //1111 1000 //RXCIE_TXCIE_UDRIE__RXEN_TXEN_CHR9_TXB8_RXB8 } /*************************************************************/ void delay(unsigned int interval) { unsigned int i,j,k; for (i=0;i<interval;i++) for(j=0;j<interval;j++) for(k=0;k<interval;k++); } /*************************************************************/ void send_byte(unsigned char tmp) { do {;}while((USR & 0x20 )==0); 41 UDR=tmp; } Mã chương trình viết bằng ngôn ngữ Visual Basic, thực hiện thu và xử lý dữ liệu trên máy tính Option Explicit Dim Counter, R1, R2 As Integer Dim j As Byte Dim Detected As Boolean Dim Current_X1, Current_Y1, Old_X1, Old_Y1, Org_X1, Org_Y1, End_X1, dx As Long Dim tmp_low_0, tmp_high_0, low_byte_0, high_byte_0 As Byte Dim data_1, value_comp As Integer 'Luu du lieu nhan duoc Dim ADCL_0, ADCH_0 As Byte Dim time_1, time_2 As Long Private Declare Function InitCommonControls Lib "comctl32.dll" () As Long Public Sub Grid_Screen(dx As Long) ' Thuc hien ve luoi man hinh Picture1.ScaleMode = 1 Picture1.DrawWidth = 3 Picture1.Line (1, 5 * 102 * dx)-(Picture1.ScaleWidth, 5 * 102 * dx), vbBlue Picture1.Line (3, 0)-(3, Picture1.ScaleHeight()), vbBlue For j = 0 To 10 Step 1 Picture1.Line (0, j * 102 * dx)-(100, j * 102 * dx), vbBlue Next j Picture1.DrawWidth = 1 For j = 0 To 50 Step 1 Picture1.Line (0, j * 102 * dx / 5)-(Picture1.ScaleWidth, j * 102 * dx / 5), vbGreen Next j End Sub Public Sub Draw_Signal() ' Thu tuc Draw() thuc hien ve dang tin hieu tu du lieu thu duoc Picture1.DrawWidth = 2 42 dx = Picture1.ScaleHeight() / 1024 Current_Y1 = CLng(Picture1.ScaleHeight() - data_1 * dx) If Current_X1 > End_X1 Then Current_X1 = 0 Old_X1 = 0 Picture1.Cls Picture1.ScaleMode = 1 ' Axial Grid_Screen (dx) Else Current_X1 = Old_X1 + 30 End If Picture1.Line (Old_X1, Old_Y1)-(Current_X1, Current_Y1), vbBlack Old_X1 = Current_X1 Old_Y1 = Current_Y1 End Sub Public Function In_Port() As Integer ‘ Doc du lieu tu cong COM1 Do DoEvents Loop Until MSComm1.InBufferCount 0 In_Port = Asc(MSComm1.Input) End Function Private Sub InitComm() ' Ham nay thuc hien khoi dong COM1 On Error GoTo ERR_OPEN_PORT With MSComm1 .CommPort = 1 .Settings = "9600,N,8,1" .InBufferSize = 1 .InputLen = 1 .InputMode = comInputModeText .PortOpen = True End With Exit Sub 43 ERR_OPEN_PORT: 'MsgBox "Error while attemp to open the Port. Please restart your PC", vbInformation + vbOKOnly MsgBox Err.Description End Sub Private Sub Exit_Port() ' Dong cong noi tiep RS232 On Error GoTo ERR_CLOSE_PORT MSComm1.PortOpen = False Exit Sub ERR_CLOSE_PORT: 'MsgBox "The Port can't close!", vbInformation + vbOKOnly MsgBox Err.Description End Sub Private Sub CmdClear_Click() TxtX = " " 'TxtY = " " Counter = 0 End Sub Private Sub CmdExit_Click() Unload FrmMain End Sub Private Sub CmdSave_Click() CommonDialog1.Filter = "Text files (*.txt)|*.txt" CommonDialog1.ShowSave If CommonDialog1.FileName "" Then Open CommonDialog1.FileName For Output As #1 Print #1, vbTab & vbTab & "Du lieu cua truc X" Print #1, TxtX.Text End If Close #1 End Sub Private Sub CmdStart_Click() '**************Khi nguoi su dung Click nut Start*********** '-Nhan du lieu ve qua cong noi tiep RS232 44 ' +Kiem tra du lieu thu duoc: Nhan byte cao truoc, ' Byte thap sau '-Thuc hien ve tin hieu thu duoc '********************************************************** Dim tmp As Integer 'Dim ADCL, ADCH, Tmp_ADCH, Tmp_ADCL As Byte Dim i As Long Org_X1 = 0 End_X1 = Picture1.ScaleWidth() Org_Y1 = Picture1.ScaleHeight() Current_X1 = -2 Old_X1 = -2 Old_Y1 = 0 time_1 = Hour(Time) * 3600 + Minute(Time) * 60 + Second(Time) Do time_2 = Hour(Time) * 3600 + Minute(Time) * 60 + Second(Time) LblTime.Caption = "Waiting..." Loop Until (time_2 - time_1) > 10 Counter = 0 Detected = True IGNORE_0: tmp = In_Port() If tmp = 255 Then ' Khung du lieu cua truc X tmp = In_Port() ' Nhan byte thap truoc low_byte_0 = CByte(tmp) tmp = In_Port() ' Nhan byte cao high_byte_0 = CByte(tmp) Else GoTo IGNORE_0 End If ADCL_0 = low_byte_0 + ((high_byte_0 Mod 2) * 128) ' Tmp_ADCL | ((Tmp_ADCH & 0x01)<<7) ADCH_0 = (high_byte_0 Mod 128) / 2 ' (Tmp_ADCH & 0x7F)>>1 data_1 = ADCH_0 * 256 + ADCL_0 value_comp = data_1 45 LblCompare.Caption = value_comp i = 0 While (1) IGNORE: tmp = In_Port() If tmp = 255 Then ' Khung du lieu cua truc X tmp = In_Port() ' Nhan byte thap truoc low_byte_0 = CByte(tmp) tmp = In_Port() ' Nhan byte cao high_byte_0 = CByte(tmp) Else GoTo IGNORE End If ' Khoi phuc du lieu ADCL_0 = low_byte_0 + ((high_byte_0 Mod 2) * 128) ' Tmp_ADCL | ((Tmp_ADCH & 0x01)<<7) ADCH_0 = (high_byte_0 Mod 128) / 2 ' (Tmp_ADCH & 0x7F)>>1 data_1 = ADCH_0 * 256 + ADCL_0 i = i + 1 LblCompare.Caption = i TxtX = TxtX & " " & data_1 R1 = Abs(value_comp - data_1) If (R1 > 10) And (Detected = True) Then Counter = Counter + 1 LblCounter.Caption = CStr(Counter) Detected = False ElseIf R1 < 5 Then Detected = True End If Draw_Signal ' Ve tin hieu time_2 = Hour(Time) * 3600 + Minute(Time) * 60 + Second(Time) LblTime.Caption = time_2 - time_1 Wend End Sub Private Sub Form_Initialize() ' Khoi tao cong RS232 46 InitCommonControls Picture1.Cls dx = Picture1.ScaleHeight / 1024 Grid_Screen (dx) End Sub Private Sub Form_Load() InitComm Counter = 0 LblCounter.Caption = CStr(Counter) End Sub Private Sub Form_Unload(Cancel As Integer) ' Dong cong noi tiep RS232 Exit_Port End Sub 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 6-Jun-2005 Sheet of File: \\longnt\Bienlc\Mach cho AMR\AMR.ddb Drawn By: C20 C21 C8C7 Vin1 G N D 2 +5V 3 U12 UA7805UC D2 +5V 10 9 8 U3C LM324A R62 R60 R61 + 5 V +2.5V +5V C3 Q4 NPN R58 R67 R68 C10 C9 COMMON IN RESET C16 C22 R49 TTL RESET 1 2 3 J7 MANUAL COMMON R1 R2 R3 3 2 6 7 1 5 4 8 U1 AD620N +2.5V +2.5V +5V +2.5V 1 2 3 4 5 JP1 5 HEARDER 6 7 8 9 10 JP2 5 HEADER_2 +5V RESET 3 2 1 4 1 1 U3A LM324A R5 R4 R7 R6 +2.5V C1 C2 +5V R12 R48 R13 3 2 6 7 1 5 4 8 U2 AD620N +2.5V +2.5V +5V +2.5V 5 6 7 U3B LM324A R15 R14 R16 R50 +2.5V C4 +5V A1 B 3 T A P 2 R69 A1 B 3 T A P 2 R70 S 1 B C50 D1 R47 +5V 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 U5 MAX232 C46 C17 C18 C19 C49 RxD CMOS TxD CMOS RxD TTL TxD TTL A D C 1 A D C 0 R8 R17 + C11 + C12 +2.5V +2.5V S3 R52 R51 + 5 V MANUAL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 JP10 +5V PB0 (T0)1 PB1 (T1)2 PB2 (AIN0)3 PB3 (AIN1)4 PB4 (/SS)5 PB5 (MOSI)6 PB6 (MISO)7 PB7 (SCK)8 /RESET9 VCC10 GND11 XTAL212 XTAL113 PD0 (RxD)14 PD1 (TxD)15 PD2 (INT0)16 PD3 (INT1)17 PD4 (OC1B)18 PD5 (OC1A)19 PD6 (ICP)20 PA0 (ADC0) 40 PA1 (ADC1) 39 PA2 (ADC2) 38 PA3 (ADC3) 37 PA4 (ADC4) 36 PA5 (ADC5) 35 PA6 (ADC6) 34 PA7 (ADC7) 33 AREF 32 AGND 31 AVCC 30 PC7 (TOSC2) 29 PC6 (TOSC1) 28 PC5 27 PC4 26 PC3 25 PC2 24 PC1 23 PC0 22 PD7 (OC2) 21 U4 AT90S8535 C15 +5V +5V +5V C6C5 Y1 TxD TTL RxD TTL C14 R19 + C13 R18 S2 S1 R9 ADC0 TTL RESET ADC1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 JP9 Q1 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J8 DB9 TxD CMOS RxD CMOS R46 R59 +5V 1 2 3 4 5 6 JP8 E R/W RS V0 +5V R10 R11 + 5 V I N RS R/W E 1 2 J4 1 2 3 J6 CON3 D3