Thiết kế máy rót nước tự động dùng cảm biến siêu âm HC SR04

ứng dụng khoa học kỹ thuật vào lĩnh vực đời sống điều không xa lạ nay, đặc biệt đối tượng học sinh, sinh viên, công nhân viên chức Nên việc nắm bắt áp dụng khoa học kỹ thuật quan trọng, đặc biệt sinh viên ngành kỹ thuật Qua quan sát thực tế, máy rót nước sử dụng phổ biến thị trường phải dùng tay vặn vòi dẫn đến bất tiện vệ sinh (đặt biệt nơi công cộng) Từ việc nhận thấy bất tiện này, qua vận dụng kiến thức học học phần “Cảm biến chuyển năng” nên nhóm chúng em đề xuất nghiên cứu đề tài: “Máy rót nước tự động dùng cảm biến siêu âm HC-SR04”

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

*******

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY RÓT NƯỚC TỰ ĐỘNG

DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04

GVHD: T.S Nguyễn Hữu Cường

Sinh viên thực hiện:

Hạ Minh Quang B1709174

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa chúng ta rất cần những sự tiến bộ

về khoa học kỹ thuật,việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào mọi lĩnh vực đời sống đã làmột điều không quá xa lạ đối với chúng ta hiện nay, đặc biệt là đối với đối tượng là học sinh, sinh viên, công nhân viên chức Nên việc nắm bắt và áp dụng khoa học kỹ thuật là rất quan trọng, đặc biệt đối với sinh viên ngành kỹ thuật hiện nay

Qua quan sát thực tế, các máy rót nước được sử dụng phổ biến trên thị trường hiện nay đều phải dùng tay vặn vòi dẫn đến bất tiện và mất vệ sinh (đặt biệt là ở nơi công cộng) Từ việc nhận thấy những bất tiện này, và qua vận dụng kiến thức đã học ởhọc phần “Cảm biến và chuyển năng” nên nhóm chúng em đề xuất nghiên cứu đề tài:

“Máy rót nước tự động dùng cảm biến siêu âm HC-SR04”

Với sự hướng dẫn giúp đã của thầy Nguyễn Hữu Cường cùng với sự tìm tòi tham khảo trên internet, sách, nhóm chúng em đã hoàn thành được mục tiêu đặt ra Nhóm em xin chân thành cám ơn thầy đã cung cấp kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi

để chúng em hoàn thành đề tài này

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

I GIỚI THIỆU CẢM BIẾN: 4

1 Cảm biến siêu âm HC-SR04: 4

a Giới thiệu: 4

b Cấu tạo: 4

c Nguyên lý chuyển đổi năng lượng: 5

d Nguyên lý hoạt động: 5

2 Arduino Mega 2560: 6

II KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN: 8

1 Thu thập số liệu vào/ra: 8

2 Đặc tuyến quan hệ vào/ra: 8

3 Độ nhạy, độ lệch, độ phi tuyến, độ trễ: 9

4 Phương trình biểu diễn quan hệ vào/ra: 9

5 Độ lặp, hàm mật độ xác suất cho sai số: 10

III XÂY DỰNG TÍNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐO: 12

1 Giới thiệu, mô tả hoạt động của hệ thống đo: 12

a Giới thiệu: 12

b Mô tả hệ thống, nguyên lý hoạt động: 12

2 Sơ đồ kết nối các thành phần trong hệ thống: 14

3 Lưu đồ giải thuật và code lập trình: 15

4 Kết quả: 18

5 Hình ảnh sản phẩm: 18

I GIỚI THIỆU CẢM BIẾN:

1 Cảm biến siêu âm HC-SR04:

a Giới thiệu:

Cảm biến HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì giá thành rẻ và độ chính xác cao (độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình) Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 đến 300 cm

b Cấu tạo:

Gồm phần thu – phát tín hiệu là các loa gốm và 4 chân (Vcc, Trig, Echo, GND) Chân Vcc nối với nguồn 5V, chân Trig nối với ngõ phát của vi điều khiển, chân Echo nối với ngõ thu của vi điều khiển và GND nối âm

 Thông số kỹ thuật:

- Nguồn làm việc: 5V (một số mạch điện tử có thể cấp nguồn 3.3V vẫn hoạt động bình thường nhưng cảm biến siêu âm cần hoạt động ở mức 5V)

- Dòng tiêu thụ: nhỏ hơn 2mA

- Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) và LOW (0V)

- Khoảng cách đo: 2cm - 300cm

- Tín hiệu input trigger: Xung TTL 10µs

- Tín hiệu Echo: tín hiệu output TTL PWL

4

Hình ảnh cảm biến HC-SR04

c Nguyên lý chuyển đổi năng lượng:

Sóng âm sẽ được tạo ra do chuyển đổi năng lượng từ điện thành các sóng phát ra từ đầu phát tín hiệu tần số cao, ngắn đều đặn liên tục Chúng lan truyền trong không khí với vận tốc âm thanh Nếu chúng tiếp xúc với vật thể, thì chúng bị phản xạ trở lại dưới dạng tín hiệu dội tới đầu thu của cảm biến

d Nguyên lý hoạt động:

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (10 microSeconds) từ chân Trig Sau đó, cảm biến siêu âm sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khinhận lại được sóng phản xạ ở pin này Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại

Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340 m/s (hằng số vật lý) Khi đã tính được thời gian, ta sẽ cho tốc độ âm thanh (340 m/s) chia cho 2

Lưu ý: sóng siêu âm phát càng xa độ chính xác càng giảm và chỉ bị dội lại khi gặp 1

số loại vật cản, nếu phát sóng siêu âm vào chăn, nệm bạn sẽ không nhận được sóngphản hồi Ngoài ra, vận tốc âm thanh còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất khôngkhí, nên giá trị vận tốc 0.034 cm/us sẽ thay đổi tăng hoặc giảm phụ thuộc vào điềukiện môi trường khi tiến hành khảo sát

2 Arduino Mega 2560:

Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp của Arduino Uno R3, dử dụng chíp dán và có bộ nhớ nhiều hơn Với kích thước board lớn hơn nên tích hợp được nhiều chân giao tiếp, hỗ trợ tốt hơn cho các ứng dụng phức tạp, yêu cầu kết nối nhiều thiết bị

 Thông số kỹ thuật cơ bản:

 Vi điều khiển chính: ATmega2560.

 IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2.

 Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc từ jack DC.

 Số chân Digital I/O: 54 (15 chân có khả năng xuất xung PWM).

 Dòng điện DC trên mỗi chân I/O: 20mA

 Dòng điện DC chân 3.3V: 50mA

 Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader.

 Sơ đồ đấu nối Board Arduino Mega 2560 và cảm biến siêu âm HC-SR04.

Cảm biến siêu âm HC-SR04 Board Arduino Mega 2560

II KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN:

1 Thu thập số liệu vào/ra:

3 Độ nhạy, độ lệch, độ phi tuyến, độ trễ:

 Độ nhạy:

K= O Max−O Min

I Max−I Min =

49.78−5.0250−5 =0.994667

Độ phi tuyến N(I)

4 Phương trình biểu diễn quan hệ vào/ra:

 Phương trình đặc tuyến quan hệ vào/ra:

 Đồ thị hàm mật độ xác xuất.

Code khảo sát cảm biến siêu âm HC-SR04

III XÂY DỰNG TÍNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐO:

1 Giới thiệu, mô tả hoạt động của hệ thống đo:

a Giới thiệu:

Nhằm tạo sự tiện lợi và đảm bảo vệ sinh hơn trong quá trình rót nước, cùng

với việc kết hợp kiến thức trong học phần Cảm biến chuyển năng, nhóm chúng em quyết định thiết kế Máy rót nước tự động dùng cảm biến HC-SR04.

Máy rót không chỉ tự động rót nước khi đặt bình vào mà còn tự động ngắt khinước gần đầy ly

b Mô tả hệ thống, nguyên lý hoạt động:

Hệ thống chính bao gồm 1 cảm biến siêu âm HC-SR04, 4 cảm biến hồngngoại phát hiện vật cản, van điện từ, rơ-le, khung máy, ống dẫn nước (vòi) vàBoard điều khiển Arduino Mega 2560

12

Nguyên lý hoạt động:

- Khi đặt ly hoặc cốc nước (chiều cao từ 6 - 15cm) vào khay, cảm biếnhồng ngoại được đặt cố định ở 4 mức sẽ nhận diện chiều cao của ly

- Sau đó hệ thống kích hoạt rơ-le, mở van điện từ để rót nước vào ly

- Cảm biến siêu âm sẽ đo chiều cao mực nước trong ly Khi mực nướctiến tới giá trị được cài đặt tương ứng cho từng mức chiều cao của ly thì

hệ thống tắt van điện từ và dừng rót nước

Mức Chiều cao Mức Mực nước rót vào ly

2 Sơ đồ kết nối các thành phần trong hệ thống:

Bảng kết nối giữa Arduino và các thiết bị sử dụng trong hệ thống

Cảm biến siêu âm

Sơ đồ kết nối chi tiết các thiết bị

14

3 Lưu đồ giải thuật và code lập trình:

Code chương trình

16

4 Kết quả:

Máy rót nước tự động hoạt động ổn định và đúng như thiết kế ban đầu Máy nhận diện tốt cả ly nhựa và thủy tinh Lượng nước trong ly sau khi rót xong tương ứng với chiều cao của tùng loại ly, không quá ít cũng không bị tràn Thời gian rót nước khá nhanh, tuy thuộc vào lượng nước trong bình chứa còn lại nhiều hay ít.

5 Hình ảnh sản phẩm:

18

20