Tài liệu Chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng

ii TÓM TẮT LUẬN VĂN CHẾ TẠO HỆ THỐNG BIA BẮN TÍNH ĐIỂM TỰ ĐỘNG ÁP DỤNG CHO SÚNG QUÂN DỤNG Học viên: Trần Đình Nhật Mã số: 60520216 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Khóa: 33.TĐH (PFIEV) Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn này trình bày phương pháp thiết kế, chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng. Các nội dung chính bao gồm phân tích lý thuyết, xây dựng mạng truyền thông, thiết kế hệ thống điện tử và xây dựng chương trình quản lý trung tâm. Ngoài việc nghiên cứu, ứng dụng những phương pháp khoa học - kỹ thuật đã có, luận văn còn đóng góp một phương pháp kỹ thuật hoàn toàn mới do chính tác giả xây dựng, đó chính là bộ xử lý giúp nâng cao khả năng kháng ẩm của hệ thống. Với bộ xử lý này, tác giả không sử dụng những phương pháp cơ học để tách biệt hệ thống với môi trường mà thay vào đó, mạch Trigger Schmitt được sử dụng để giúp hệ thống nhận biết và loại bỏ những tác động của môi trường ẩm, qua đó đảm bảo hệ thống có thể hoạt động một cách ổn định, chính xác trong điều kiện môi trường có độ ẩm cao. Các kết quả thực nghiệm bằng đạn thật đều cho kết quả chính xác, ổn định, đáp ứng tất cả các yêu cầu thiết kế đề ra. Từ khóa – Bia bắn tính điểm tự động; Tín hiệu tốc độ cao; Phương pháp kỹ thuật mới; Kháng ẩm; Trigger Schmitt. FABRICATING AN AUTOMATIC TARGET-SCORING SYSTEM APPLYING FOR MILITARY GUNS Abstract - This thesis presents a method for designing, fabricating an automatic targetscoring system applying for military guns. The content of thesis focuses on analyzing theory, building communication networks, designing electronic systems and creating a central management application. In addition to studying, applying existing scientific and technical methods, the thesis also contributes to a completely new technique developed by the author, which is the processor that improves moisture resistance. This processor does not use mechanical methods to separate the system from the environment, but instead, the Schmitt Trigger circuit is used to help the system recognize and remove the effects of humid environment. To ensure that the system can operate stably, precisely in high humidity environment. The experiment results by using real bullet show that the system operated precisely, stability, meeting all of the design requirements. Key works - An automatic target-scoring; High-Speed signals; New technique methods; Moisture resistance; Trigger Schmitt. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. I TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. II MỤC LỤC……. ............................................................................................................ III DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. VI MỞ ĐẦU……… ............................................................................................................. 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: .................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: ............................................................................. 1 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: ................................................. 1 3.1 Đối tượng nghiên cứu: .................................................................................... 1 3.2 Phạm vi nghiên cứu: ....................................................................................... 1 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: .................................................................... 2 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN:....................................................... 2 5.1 Ý nghĩa khoa học: ........................................................................................... 2 5.2 Ý nghĩa thực tiễn: ........................................................................................... 3 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN:................................................................................. 3 CHƯƠNG 1 1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ........................................................................ 4 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: .................................................................................... 4 1.1.1 Vai trò của công tác thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng: .................. 4 1.1.2 Tình hình nghiên cứu các sản phẩm liên quan: ........................................... 4 1.2 ĐỊNH HƯỚNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG: ..................................................... 6 1.2.1 Phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn: ............................................ 6 1.2.2 Phương pháp truyền và thông báo kết quả: ................................................. 7 1.3 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ CÁC HƯỚNG GIẢI QUYẾT: .......................................... 8 1.3.1 Bắt và đảm bảo không mất mát tín hiệu: .................................................... 8 1.3.2 Môi trường làm việc ẩm ướt: .................................................................... 11 1.3.3 Sử dụng cổng mạch số họ TTL hay CMOS: ............................................. 12 1.3.4 Đảm bảo toàn vẹn dữ liệu trên đường truyền: .......................................... 14 1.3.5 Quản lý hệ thống và thông tin bài bắn: ..................................................... 15 CHƯƠNG 2 2.1 iv CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 17 MẠCH CHỐT FLIP – FLOP:.......................................................................... 17 2.1.1 Tổng quan về mạch chốt Flip Flop: .......................................................... 17 2.1.2 Các loại Flip Flop: ..................................................................................... 17 2.1.3 Flip Flop khi có thêm ngõ vào trực tiếp: ................................................... 20 2.2 MẠCH TRIGGER SCHMITT:........................................................................ 21 2.3 GIAO THỨC RS232: ...................................................................................... 22 2.3.1 Giới thiệu chung ........................................................................................ 22 2.3.2 Đặc tính điện học ...................................................................................... 23 2.3.3 Đặc tính cơ học ......................................................................................... 24 2.3.4 Chế độ làm việc ......................................................................................... 25 2.3.5 Truyền thông giữa hai nút: ........................................................................ 26 2.4 GIAO THỨC I2C: ........................................................................................... 27 2.4.1 Giới thiệu về chuẩn giao tiếp I2C: ............................................................ 27 2.4.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp I2C: .................... 27 2.4.3 Các quy định giao tiếp trong chuẩn I2C: .................................................. 28 2.4.4 Hoạt động của giao thức I2C: ................................................................... 30 CHƯƠNG 3 3.1 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ................... 34 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG BỘ XỬ LÝ TÍN HIỆU: ................................ 34 3.2 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA BỘ XỬ LÝ TÍN HIỆU VỚI CÁC TÁC ĐỘNG ĐẦU VÀO: .................................................................................................... 44 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG MẠNG TRUYỀN THÔNG: ........... 46 4.1 CHỌN THIẾT BỊ TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU KHÔNG DÂY: ................... 46 4.2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CỦA HỆ THỐNG: .............. 47 4.3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM: ............................. 48 4.3.1 Yêu cầu đặt ra: .......................................................................................... 48 4.3.2 Phân tích và thiết kế bộ điều khiển trung tâm: .......................................... 48 4.4 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CỦA HỆ THỐNG: ..................................................................................................................... 50 4.4.1 Tổng quan về hệ thống bia bắn: ................................................................ 50 4.4.2 Cơ chế truyền dữ liệu: ............................................................................... 53 4.4.3 v Khung truyền dữ liệu: ............................................................................... 55 CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ TRUNG TÂM…............................................................................................................ 57 5.1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: .................................................................................. 57 5.2 PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT KẾ:............................................................ 58 5.3 TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ: ........................................ 59 5.3.1 Các khối chức năng cơ bản: ...................................................................... 59 5.3.2 Thiết kế giao diện tùy chọn hệ thống: ....................................................... 60 5.3.3 Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát: ................................................... 62 5.3.4 Chương trình thi đấu và chương trình luyện tập: ...................................... 63 CHƯƠNG 6 6.1 HOÀN THIỆN SẢN PHẨM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...... 65 HOÀN THIỆN SẢN PHẨM: .......................................................................... 65 6.1.1 Bộ xử lý bia bắn: ....................................................................................... 65 6.1.2 Bộ xử lý trung tâm: ................................................................................... 66 6.1.3 Chương trình quản lý trung tâm: ............................................................... 67 6.1.4 Kết nối hệ thống: ....................................................................................... 68 6.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM: .......................................................................... 69 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình vẽ hình vẽ Trang Hình 1.1 Hoạt động thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng. 4 Hình 1.2 Bia bắn tại Đoàn B12 – Binh đoàn quyết thắng. 5 Hình 1.3 Bia bắn tại Phòng Kỹ thuật Lữ đoàn Pháo binh 368. 5 Hình 1.4 Bia bắn tại Viện Tự động hóa kỹ thuật quân sự. 5 Hình 1.5 Bia bắn tại Tập đoàn Viễn thông quân đội Viettel. 6 Hình 1.6 Hình minh họa phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn. 7 Hình 1.7 Hình minh họa mạng truyền thông sẽ xây dựng. 8 Hình 1.8 Minh họa bài toán xác định thời gian tác động của đạn. 9 Hình 1.9 Ý tưởng áp dụng mạch chốt dữ liệu Flip Flop vào đề tài. 10 Hình 1.10 Vai trò của mạch Trigger Schmitt ứng dụng trong đề tài. 11 Hình 2.1 Ký hiệu Flip Flop 17 Hình 2.2 Dạng sóng minh hoạ cho Flip Flop RS. 17 Hình 2.3 Dạng sóng minh hoạ cho Flip Flop JK. 18 Hình 2.4 Flip Flop JK tạo thành từ Flip Flop SR 18 Hình 2.5 Cấu trúc mạch của Flip Flop JK 18 Hình 2.6 Kí hiệu khối của Flip Flop T. 19 Hình 2.7 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của Flip Flop T. 19 Hình 2.8 Flip Flop T dùng làm mạch chia tần. 19 Hình 2.9 Kí hiệu khối của Flip Flop D. 20 Hình 2.10 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của Flip Flop D. 20 Hình 2.11 Kí hiệu Flip Flop SR có thêm ngõ Pr và Cl 20 Hình 2.12 Ký hiệu hai loại Trigger Schmitt. 21 Hình 2.13 Trigger Schmitt được thiết lập bằng mạch so sánh. 21 Hình 2.14 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của Trigger Schmitt. 22 Hình 2.15 vii Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232. 23 Hình 2.16 Sơ đồ giắc cắm và chiều tín hiệu RS-232 loại DB-9. 24 Hình 2.17 Một số ví dụ ghép nối với RS-232. 25 Hình 2.18 Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp. 26 Hình 2.19 Kết nối trong truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay. 26 Hình 2.20 Mạng TWI (I2C) cơ bản 28 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bộ bắt tín hiệu. 34 Hình 3.2 Thông số cơ bản của 74HC132 35 Hình 3.3 Kết quả mô phỏng bộ bắt tín hiệu 35 Hình 3.4 Mô tả đặc tính tác động của tín hiệu. 36 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch hiệu chỉnh mức điện áp MKL và MN. 37 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý bộ chốt tín hiệu. 38 Hình 3.7 Thông số cơ bản của 74HC76 39 Hình 3.8 Tóm tắt hoạt động của IC 7476 40 Hình 3.9 Mô phỏng hoạt động của IC7476 với xung đầu vào CK. 40 Hình 3.10 Mô phỏng hoạt động của IC7476 với tín hiệu CLR 41 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý bộ xử lý tín hiệu. 41 Hình 3.12 Mô phỏng hoạt động của bộ xử lý với xung đầu vào CK. 42 Hình 3.13 Mô phỏng hoạt động của bộ xử lý với tín hiệu CLR. 43 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý bộ xử lý tín hiệu. 44 Hình 4.1 Thiết bị truyền nhận dữ liệu không dây YL-100t. 46 Hình 4.2 Sơ đồ mô tả mạng truyền thông. 47 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạng truyền thông của bộ xử lý trung tâm. 49 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạng truyền thông của hệ thống. 41 Hình 4.5 Thuật toán truyền nhận dữ liệu 54 Hình 4.6 Sơ đồ mô tả cơ chế truyền và xác nhận. 55 Hình 5.1 Sơ đồ mô tả chức năng thiết kế của giao diện quản lý. 60 Hình 5.2 Giao diện cài đặt hệ thống khi thiết lập chế độ bắn tính điểm. 61 Hình 5.3 viii Giao diện tùy chọn hệ thống khi thiết lập chế độ bắn chạm đổ. 61 Hình 5.4 Giao diện chính với chế độ bắn tính điểm - bắn cá nhân. 62 Hình 5.5 Giao diện chính với chế độ bắn tính điểm - bắn tiêu chuẩn. 63 Hình 5.6 Giao diện chính với chế độ bắn tính điểm. 63 Hình 6.1 Các bộ xử lý trung tâm đã chế tạo. 65 Hình 6.2 Mạch xử lý bia bắn đã chế tạo. 66 Hình 6.3 Mạch công suất cho động cơ nâng hạ bia bắn. 66 Hình 6.4 Bộ điều khiển trung tâm đã chế tạo. 67 Hình 6.5 Giao diện Cài đặt hệ thống. 67 Hình 6.6 Giao diện Điều khiển, giám sát - chế độ cá nhân. 68 Hình 6.7 Giao diện Điều khiển, giám sát - chế độ tiêu chuẩn. 68 Hình 6.8 Sơ đồ kết nối hệ thống. 69 Hình 6.9 Thử nghiệm hệ thống tại hầm chỉnh súng - cục kỹ thuật. 70 Hình 6.10 Các chuyên gia kiểm chứng hệ thống tại trường bắn 327 70 Hình 6.11 Thử nghiệm hệ thống trong điều kiện trời mưa - trường bắn 327 71 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Trong quá trình trao đổi công việc, tôi đã được một số quân nhân đang làm việc tại cục kỹ thuật quân khu V, đề xuất ý tưởng về việc chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng. Từ tư vấn của những quân nhân này cùng với quá trình tự tìm hiểu, tôi nhận thấy đây là một đề tài rất thiết thực, có tính cấp thiết cao, góp phần rút ngắn thời gian, nâng cao tính khách quan trong kết quả của công tác thi đua và huấn luyện bắn đạn thật được tổ chức thường xuyên trong quân đội nhân dân Việt Nam. Ngoài ra, do đặc thù về điều kiện và môi trường làm việc hết sức khắc khe của hệ thống bia bắn khi áp dụng vào thực tế như phải phát hiện tác động rất nhanh của đầu đạn vào bia bắn, hay phải tăng khả năng kháng ẩm để hệ thống có thể làm việc chính xác, ổn định trong môi trường nhiều sương và mồ hôi,… nên đề tài đã đặt ra khá nhiều bài toán kỹ thuật cần được nghiên cứu xử lý. Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và những yêu cầu kỹ thuật đặt ra, tôi đã quyết định chọn đề tài: “Chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng” để tiến hành nghiên cứu. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: Chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng. Trong đó:  Bộ xử lý tín hiệu: vừa đảm bảo khả năng phát hiện tác động rất nhanh của đầu đạn vào bia bắn, vừa tăng khả năng kháng ẩm để hệ thống có thể hoạt động chính xác, ổn định trong môi trường có độ ẩm cao.  Mạng truyền thông: sử dụng kết hợp giữa các giao thức có dây và không dây để nâng cao khả năng linh động và mở rộng của hệ thống bia bắn tự động.  Giao diện điều khiển, quản lý và lưu trữ dữ liệu bài bắn trên máy tính: đảm bảo khả năng kiểm soát toàn bộ hệ thống tại một điểm tập trung duy nhất. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bia bắn tính điểm tự động. 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng, dùng trong công tác thi đua và huấn luyện bắn đạn thật của quân đội nhân dân Việt Nam. 2 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Để thực hiện công tác nghiên cứu, chế tạo hệ thống bia bắn tự động tính điểm, tôi chia toàn bộ công việc thành bốn khối công việc nhỏ hơn, có nội dung thực hiện tương đối độc lập, sau đó áp dụng các phương pháp xử lý phù hợp để giải quyết từng khối công việc đó. Cụ thể các khối công việc và phương pháp thực hiện nghiên cứu tương ứng của tôi được thể hiện như sau: TT Khối công việc 1 Xử lý tín hiệu tác động Phương pháp nghiên cứu Phân tích đặc tính vật lý của tín hiệu. Mô phỏng và đánh giá phương pháp xử lý. Kiểm chứng, hiệu chỉnh và hoàn thiện phương pháp xử lý. 2 Xây dựng mạng truyền thông Phân tích và xây dựng cấu trúc mạng truyền thông. Mô phỏng và đánh giá cấu trúc mạng áp dụng. Kiểm chứng, hiệu chỉnh và hoàn thiện cấu trúc mạng. 3 Xây dựng chương trình quản lý, điều khiển và lưu trữ dữ liệu Phân tích dữ liệu tương tác giữa chương trình và thiết bị điện tử trong hệ thống. Xây dựng, kiểm thử và hoàn chỉnh chương trình quản lý, điều khiển. 4 Hoàn thiện và kiểm tra hệ thống Kiểm tra và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN: 5.1 Ý nghĩa khoa học: - Bằng việc xây dựng bộ phát hiện tín hiệu tác động chỉ bằng hai dạng mạch số cơ bản (mạch NAND và mạch chốt FLIP FLOP) với giá thành cực kỳ rẻ, nhưng vẫn đảm bảo khả năng bắt và chốt tín hiệu tác động rất nhanh từ đầu đạn vào bia, đề tài đã mang đến một hướng tiếp cận mới, có tính hiệu quả cao trong việc xử lý tín hiệu có thời gian tác động ngắn. - Bằng việc áp dụng mạch Trigger Schmitt (được tích hợp sẵn trong các mạch số cơ bản) để thực hiện chức năng kháng ẩm cho hệ thống bia bắn tự động tính điểm, đề tài cũng đã có hướng khai thác mới về chức năng của mạch Trigger Schmitt trong việc xử lý tín hiệu. 3 5.2 Ý nghĩa thực tiễn: Hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng góp phần rút ngắn thời gian, nâng cao tính khách quan trong kết quả của công tác thi đua và huấn luyện bắn đạn thật được tổ chức thường xuyên trong quân đội nhân dân Việt Nam. 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN: MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Phân tích và xây dựng hệ thống điện tử. Chương 4: Phân tích và xây dựng mạng truyền thông. Chương 5: Phân tích và xây dựng chương trình quản lý trung tâm. Chương 6: Hoàn thiện sản phẩm và kết quả thực nghiệm. KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: 1.1.1 Vai trò của công tác thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng: Trong công cuộc xây dựng quân đội nhân dân Việt Nam chính quy, tinh nhuệ, từng bước hiện đại thì việc nâng cao chất lượng huấn luyện người lính là nhiệm vụ hết sức cấp thiết và luôn được ưu tiên hàng đầu. Trong đó, hoạt động huấn luyện bắn súng quân dụng là nội dụng mà mọi người lính đều phải khổ luyện trong suốt thời gian quân ngũ, đồng thời kỹ năng bắn súng quân dụng cũng là yếu tố cơ bản để đánh giá năng lực người lính. Hình 1.1: Hoạt động thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng. Chính vì lý do này mà ngày nay công tác thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng với nhiều mức độ quy mô khác nhau, thường xuyên được tổ chức ở tất cả các bộ phận của quân đội nhân dân Việt Nam. 1.1.2 Tình hình nghiên cứu các sản phẩm liên quan: Xuất phát từ nhu cầu nêu trên mà các hoạt động cải tiến, sáng tạo công cụ máy móc hỗ trợ cho nội dung thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng luôn nhận được sự quan tâm đầu tư rất lớn từ các cục kỹ thuật quân sự. Và trong số các nhóm sản phẩm hỗ trợ bắn súng quân dụng thì nhóm sản phẩm bia bắn tính điểm tự động luôn nhận được rất nhiều sự đầu tư phát triển. 5 Một số sản phẩm bia bắn tính điểm tự động đã được các đơn vị kỹ thuật quân sự chế tạo có thể kể đến như sau: Hình 1.2: Bia bắn tại Đoàn B12 – Binh đoàn quyết thắng. Hình 1.3: Bia bắn tại Phòng Kỹ thuật Lữ đoàn Pháo binh 368. Hình 1.4: Bia bắn tại Viện Tự động hóa kỹ thuật quân sự. 6 Hình 1.5: Bia bắn tại Tập đoàn Viễn thông quân đội Viettel. Trên đây là những mô hình nghiên cứu, những sản phẩm tiêu biểu, ngoài ra còn có rất nhiều những đề tài nghiên cứu, những mô hình hệ thống bia bắn báo điểm tự động khác. Qua đó, ta có thể thấy nhu cầu, phạm vi ứng ứng dụng cũng như tiềm năng phát triển của hệ thống bia bắn báo điểm tự động trong thực tế là rất lớn. 1.2 ĐỊNH HƯỚNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG: Để xây dựng hệ thống bia bắn tính điểm tự động, trước tiên tôi xác định hướng giải quyết cho các nội dung cơ bản sau:  Phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn vào bia.  Phương pháp thu nhận, tổng hợp và thông báo kết quả từ nhiều bia khác nhau đến một thiết bị duy nhất. 1.2.1 Phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn: Để hệ thống bia bắn tính điểm tự động đảm tính gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển, dễ dàng lắp đặt, giá thành rẻ nhưng không mất đi tính hiệu quả, độ tin cậy,… tôi đã phân tích, đánh giá nhiều phương pháp và cuối cùng chọn phương pháp sau đây để phát hiện tác động của đầu đạn vào bia. 7 Hình 1.6: Hình minh họa phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn. Ý tưởng của phương pháp này rất đơn giản, trên bia bắn tôi đặt hai tấm kim loại được phân cách bởi vật liệu cách điện, hai tấm kim loại này sẽ được nối với mạch xử lý. Ban đầu, khi chưa có tác động, hai tấm kim loại này hoàn toàn độc lập nên sẽ không có phản ứng gì từ mạch xử lý. Khi đầu đạn bắn trúng bia, như hình minh họa ta thấy, lúc này do viên đạn cũng được làm bằng kim loại nên nó sẽ là cầu nối hai tấm kim loại lại với nhau rõ ràng lúc này, mạch xử lý sẽ phát hiện và báo trạng thái đạn trúng bia. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dễ thi công, giá thành rẻ nhưng nó cũng có những nhược điểm như khoảng thời gian đạn bay xuyên qua hai tấm kim loại quá nhanh (làm cho mạch xử lý không kịp phát hiện), dễ bị nhiễu nếu làm việc trong môi trường ẩm ướt (vì bề mặt tiếp xúc lớn nên tính cách điện giữa hai tấm kim loại sẽ bị giảm mạnh). Do đó, sẽ cần những phương pháp đặc biệt để khắc phục những nhược điểm này, tôi sẽ trình bày cụ thể hơn ở các mục sau. 1.2.2 Phương pháp truyền và thông báo kết quả: Do đặc trưng làm việc của hệ thống bia bắn tự động là có thể có nhiều bia được bắn cùng lúc và địa điểm quan sát kết quả luôn được đặt khá xa so với bia bắn, hơn nữa hệ thống thông báo kết quả phải cùng lúc thể hiện được tất cả các thông tin kết quả từ nhiều bia bắn khác nhau lên một thiết bị hiển thị duy nhất. Do đó, tất yếu ta cần phải xây dựng một mạng truyền thông để thu thập, tổng hợp và truyền tải các thông tin này đến người quan sát trên một thiết bị duy nhất. 8 Hình 1.7: Hình minh họa mạng truyền thông sẽ xây dựng. Ý tưởng xây dựng mạng truyền thông cho hệ thống được trình bày như sau: Các bia bắn sẽ được đặt phân tán tùy theo yêu cầu của bài bắn, dữ liệu từ các bia bắn này sẽ được xử lý, gắn địa chỉ tương ứng rồi gửi về thiết bị trung tâm thông qua bộ phát tín hiệu không dây. Thiết bị trung tâm này có nhiệm vụ thu nhận tất cả các dữ liệu, phân tích địa chỉ, xác nhận tính hiệu, tổng hợp dữ liệu và truyền lên thiết bị quan sát, lưu trữ,… Ý tưởng xây dựng mạng truyền thông nêu trên là những đề xuất cơ bản để xác định phương pháp xử lý, hiển thị cũng như lưu trữ dữ liệu. Tuy nhiên, vẫn còn những khó khăn cần giải quyết để đảm bảo tính toàn vẹn và chính xác của dữ liệu truyền về, tôi sẽ trình bày cụ thể hơn ở các mục sau. 1.3 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ CÁC HƯỚNG GIẢI QUYẾT: 1.3.1 Bắt và đảm bảo không mất mát tín hiệu: Đặt vấn đề: Để đánh giá khả năng bắt tín hiệu của mạch xử lý khi đầu đạn bay xuyên qua bia bắn, đầu tiên ta cần xác định khoảng thời gian tác động của đạn vào bia bằng cách xây dựng bài toán như sau: Giả sử ta có:  Bia bắn dày 0.5cm (khoảng cách hai tấm kim loại bằng 0.5cm).  Đầu đạn dài 1cm.  Đầu đạn bay với tốc độ 710m/s.  Điều kiện cách điện giữa hai tấm kim loại là lý tưởng. 9 Hình 1.8: Minh họa bài toán xác định thời gian tác động của đạn. Như hình minh họa dễ dàng ta thấy, quãng đường mà đầu đạn làm cho hai tấm kim loại được nối với nhau là 0.5cm = 0.005m. Lúc này ta hoàn toàn có thể tính được khoảng thời gian tác động của đầu đạn vào bia bắn như sau: 0.005 = 0.000007( ) = 7( ) 710 Đây là một khoảng thời gian rất ngắn do đó ta cần phải có những biện pháp bắt tín hiệu một cách nhanh chóng để đảm bảo tính chính xác của hệ thống. = = Hướng giải quyết:  Hướng giải quyết đầu tiên mà ta có thể nghĩ ngay tới đó là chọn một dòng chip xử lý tốc độ tương đối cao để đảm bảo thời gian chuyển mạch lớn hơn nhiều so với khoảng thời gian tác động của đầu đạn vào bia bắn, cùng với kết hợp sử dụng ngắt để tránh mất mát tín hiệu. Đây thực sự là hướng giải quyết rất tốt vì giá thành của một chip xử lý có tần số hoạt động khoảng 100MHz (thời gian chuyển mạch là 0.01us, nhanh hơn gấp 1400 lần thời gian tác động của đạn vào bia) là khá rẻ và phổ thông. Tuy nhiên, hướng giải quyết này cũng có một khuyết điểm rất lớn đó là, nếu làm việc trong điều kiện không hoàn toàn khô ráo thì do bề mặt tiếp xúc của hai tấm kim loại khá lớn, kết hợp với đặc tính dễ mất ổn định trong điều kiện ẩm ướt của chip xử lý sẽ dẫn đến tình trạng mất ổn định của hệ thống gây mất mát dữ liệu.  Hướng giải quyết tiếp theo mà tôi đề xuất đó là sử dụng IC số vì các dòng IC số họ 74HC hiện nay có giá thành rất rẻ mà tốc độ chuyển mạch lại rất nhanh chỉ vào khoảng 10ns (nghĩa là nhanh hơn 1400 lần so với thời gian tác động của đầu đạn vào bia bắn). Ta thấy rằng, IC số họ 74HC và chip xử lý 100Mhz có tần số chuyển mạch ngang nhau, nhưng trên thực tế thì IC số họ 74HC sẽ hiệu quả hơn nhiều so với chip xử lý 100Mhz trong việc bắt tín hiệu, bởi vì IC 10 số sẽ dùng trọn vẹn tốc độ của nó cho việc bắt tín hiệu, còn chip xử lý sẽ phải chia một phần tốc độ của nó cho các đoạn chương trình khác do đó hiệu quả bắt tín hiệu sẽ không thể bằng IC số (xét cùng tần số chuyển mạch). Nhưng IC số lại có một nhược điểm rất lớn so với chip xử lý đó là tuy nó có thể bắt tín hiệu rất nhanh nhưng lại không có khả năng xử lý tín hiệu, do đó ta cần phải dùng thêm một chip xử lý để làm việc với tín hiệu mà IC số bắt được. Hơn nữa, do trong điều kiện làm việc bình thường, sau khi mất tác động đầu vào thì IC số cũng đồng thời mất tín hiệu đầu ra, điều này lại dẫn đến hệ quả là chip xử lý lại cần phải có tốc độ xử lý nhanh để xử lý tín hiệu bắt được từ IC số, đây rõ ràng là điều mà ta không hề mong muốn. Tuy nhiên, ta hoàn toàn có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách ứng dụng mạch chốt dữ liệu Flip Flop. Ý tưởng áp dụng mạch chốt dữ liệu Flip Flop vào đề tài được thể hiện tổng quát bằng sơ đồ sau: Hình 1.9: Ý tưởng áp dụng mạch chốt dữ liệu Flip Flop vào đề tài. Dựa vào sơ đồ trên ta có thể thấy, tín hiệu sau khi được bắt bằng khối IC số đầu vào sẽ được đưa đến khối chốt dữ liệu, tại đây trạng thái tác động bắt được sẽ được giữ nguyên cho đến khi nhận được tín hiệu xóa từ chip xử lý. Rõ ràng, lúc này do trạng thái tác động của đầu đạn vào bia đã được giữ trong khối chốt dữ liệu nên ta hoàn toàn không cần dùng đến chip xử lý tốc độ cao, mà thay vào đó ta chỉ cần sử dụng chip xử lý thông thường đề đảm nhận nhiệm vụ đọc thông tin từ khối chốt dữ liệu và truyền về thiết bị trung tâm. Ưu điểm rất lớn của phương pháp này là tận dụng được tốc độ chuyển mạch nhanh của IC số để bắt tín hiệu khi đầu đạn đi xuyên qua bia bắn, đồng thời ứng dụng được mạch chốt Flip Flop để đảm bảo tín hiệu bắt được sẽ không bị mất mát. Hơn nữa, 11 do trong trường hợp này chip xử lý không trực tiếp làm việc với bia bắn nên ta sẽ tránh được hiện tượng mất ổn định khi môi trường làm việc ẩm ướt. 1.3.2 Môi trường làm việc ẩm ướt: Đặt vấn đề: Ta đã biết, nước là môi trường dẫn điện tốt và hơn nữa do bề mặt tiếp xúc của hai tấm kim loại trong bia bắn lại khá lớn nên nếu phải làm việc trong môi trường ẩm ướt thì điều kiện cách điện giữa hai tấm kim loại này sẽ bị giảm xuống đáng kể, điều này sẽ gây ra trạng thái bất ổn định của hệ thống, đây rõ ràng là điều mà ta hoàn toàn không mong muốn. Mặc dù so với chip xử lý thì do có cấu trúc đơn giản hơn nhiều nên IC số sẽ ít bị mất ổn định khi làm việc trong môi trường ẩm ướt, tuy nhiên nếu không có biện pháp xử lý phù hợp thì ta cũng không thể đảm bảo được trạng thái làm việc ổn định của hệ thống trong môi trường như vậy. Do đó, ta cần phải có hướng giải quyết phù hợp để đảm bảo tính ổn định của hệ thống khi làm việc trong môi trường ẩm ướt. Hướng giải quyết: Để xử lý vấn đề này tôi tiếp tục tận dụng thêm một đặc tính quan trọng khác mà các IC số mang lại đó là mạch Trigger Schmitt tích hợp. Cụ thể tôi ứng dụng tính chất ngưỡng tác động của mạch Trigger Schmitt để đảm bảo hệ thống vẫn làm việc ổn định, chính xác ngay trong điều kiện bia bắn bị ngâm hoàn toàn trong nước. Hình 1.10 minh họa vai trò của mạch Trigger Schmitt trong việc xử lý tác động gây ra bởi môi trường ẩm ướt đến hệ thống. Hình 1.10: Vai trò của mạch Trigger Schmitt ứng dụng trong đề tài. 12 Như hình trên ta thấy, mặc dù nước là môi trường dẫn điện tốt, tuy nhiên khả năng dẫn điện của nước vẫn kém hơn nhiều so với kim loại, chính điều này sẽ làm cho ngưỡng điện áp gây ra khi bia bắn bị cho vào nước sẽ luôn thấp hơn so với khi được nối với nhau bằng kim loại (đầu đạn). Kết hợp đặc tính này với tính chất ngưỡng tác động của mạch Trigger Schmitt một cách hợp lý ta sẽ loại bỏ được những tác động của môi trường ẩm ướt lên hệ thống nhằm đảm bảo hệ thống sẽ luôn duy trì được trạng thái làm việc ổn định, chính xác ngay cả khi phải làm việc trong môi trường ẩm ướt. 1.3.3 Sử dụng cổng mạch số họ TTL hay CMOS: Từ những phân tích nêu trên ta thấy rằng việc sử dụng mạch số để giải quyết những vấn đề đặt thù trong hệ thống bia bắn tính điểm tự động là điều hết sức cần thiết và mang lại nhiều hiệu quả to lớn. Tuy nhiên, mạch số cũng được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau và mỗi phương pháp lại có những ưu, nhược điểm riêng. Dó đó, việc phân tích, đánh giá chi tiết những dạng mạch số này trước khi áp dụng vào chế tạo hệ thống là điều hết sức cần thiết. Sau đây ta sẽ tìm hiểu đặc tính của hai dạng mạch số TTL và CMOS. Theo công nghệ chế tạo, mạch TTL và CMOS được phân loại như sau: TTL loạt thường 74XX : Loại này được ra đời sớm nhất ngay từ năm 1964, là sản phẩm của tập đoàn Texas Instruments. Ngày nay vẫn còn dùng. Loại này dung hoà giữa tốc độ chuyển mạch và mất mát năng lượng (công suất tiêu tán). Một số kí hiệu cho cổng logic loại này như 7400 là IC chứa 4 cổng nand 2 ngõ vào, 7404 là 6 cổng đảo,… Cần để ý là mạch số thường quy định mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức năng logic. TTL công suất thấp 74LXX và TTL công suất cao 74HXX Loại 74LXX có công suất tiêu tán giảm đi 10 lần so với loại thường nhưng tốc độ chuyển mạch cũng giảm đi 10 lần. Còn loại 74HXX thì tốc độ gấp đôi loại thường nhưng công suất cũng gấp đôi. Hai loại này ngày nay không còn được dùng nữa, công nghệ schottky và công nghệ CMOS đã thay thế chúng. TTL schottky 74SXX và 74LSXX Hai loại này sử dụng công nghệ schottlky nhằm tăng tốc độ chuyển mạch. Với loại 74LSXX, điện trở phân cực được giảm xuống đáng kể so với loại 74SXX nhằm giảm công suất tiêu tán. 74LSXX được coi là chủ lực của họ TTL trong những năm 1980 và ngày nay mặc dù không còn là loại tốt nhưng nó vẫn là loại phổ biến. TTL shorttky tiên tiến 74ASXX và 74ALSXX Hai loại này được phát triển từ 74SXX và 74LSXX nhưng có thêm nhiều sửa đổi mới trong mạch do đó có nhiều đặc điểm nổi bật hơn hẳn các loại trước 13  Dao động trên đường dẫn tốt hơn.  Chống nhiễu và ổn định cao hơn.  Dòng ngõ vào giảm đi một nửa.  Sức thúc tải gấp đôi.  Tần số hoạt động tăng lên trong khi công suất tiêu tán lại giảm xuống. Điểm mạnh của nó thì có nhiều nhưng giá thành còn khá cao, nên chúng dùng chưa rộng rãi bằng 74LSXX, thường được dùng trong máy vi tính hay các ứng dụng đòi hỏi tần số cao. TTL nhanh 74FXX Đây là loại TTL mới nhất sử dụng kĩ thuật làm mạch tích hợp kiểu mới nhằm giảm bớt điện dung giữa các linh kiện nhằm rút ngắn thời gian trễ do truyền, tức tăng tốc độ chuyển mạch. Loại này do hãng Motorola sản xuất và thường được dùng trong máy vi tính nơi cần tốc độ rất rất nhanh. CMOS cũ họ 4000, 4500 Đặc điểm chung của loạt này là :  Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 18V mà thường nhất là từ 5 đến 15 V.  Chúng có công suất tiêu hao nhỏ.  Tuy nhiên về tốc độ thì tỏ ra khá chậm chạp và dòng cũng nhỏ hơn nhiều so với các loại TTL và CMOS khác. Chính vì vậy chúng không được sử dụng rộng rãi ở các thiết kế hiện đại. Loại 74CXX Đây là loại CMOS được sản xuất ra để tương thích với các loại TTL về nhiều mặt như chức năng, chân ra nhưng khoảng nguồn nuôi thì rộng hơn. Các đặc tính của loại này tốt hơn loại CMOS trước đó một chút tuy nhiên nó lại ít được sử dụng do đã có nhiều loại CMOS sau đó thay thế loại CMOS tốc độ cao 74HCXX và 74HCTXX. Đây là 2 loại CMOS được phát triển từ 74CXX. 74HCXX có dòng ra lớn tốc độ nhanh hơn hẳn 74CXX, tốc độ của nó tương đương với loại 74LSXX, nhưng công suất tiêu tán thì thấp hơn. Nguồn cho nó là từ 2 đến 6 V. Còn 74HCTXX chính là 74HCXX nhưng tương thích với TTL nhiều hơn như nguồn vào gần giống TTL : 4,5V đến 5,5V. Do đó 74HCTXX có thể thay thế trực tiếp cho 74LSXX và giao tiếp với các loạt TTL rất bình thường. Ngày nay 74HC và 74HCT trở thành loại CMOS hay dùng nhất mà lại có thể thay thế trực tiếp cho loại TTL thông dụng.