Đo mức nước dùng cảm biến siêu âm và điều khiển máy bơm nước.

Đồ án đo mức nước có sử dụng cảm biến siêu âm, kết hợp điều chỉnh tốc độ động cơ 2 cấp tốc độ. Nhanh chậm khi cạn hoặc đầy bể. Mô phỏng tốc độ động cơ dùng rơ le.Gồm có code và và mô phỏng trong file đính kèm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

Đề tài: Đo mức nước dùng cảm biến siêu âm

và điều khiển máy bơm nước

Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Cảnh Quang

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Nguyễn Tiến Sang ĐK&TĐH4 20112096 Trần Quang Hùng ĐK&TĐH3 20111533

Mục lục

Trang LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 5

1.1 Tổng quan chung 5

1.2 Mục tiêu đề tài 5

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 5

2.1 Các phương pháp đo khoảng cách không tiếp xúc 5

2.2 Đo khoảng cách bằng phương pháp tam giác 6

2.3 Đo khoảng cách bằng phương pháp đo thời gian truyền 6

2.4 Nhận xét 7

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐO TRONG ĐỀ TÀI 7

3.1 Cảm biến siêu âm 7

3.2 Vi xử lí AVR ATmega8 8

3.2.1 Tổng quan về vi điều khiển 8

3.2.2 Vì sao chọn ATmega8 8

3.2.3 Đặc điểm vi điều khiển ATmega8 9

3.3 Màn hình hiển thị LCD16x2 9

3.3.1 Màn hình LCD 9

3.3.2 Tại sao chọn LCD16x2 10

3.4 Cơ cấu chấp hành relay 12

3.4.1 Nguyên lý 12

3.4.2 Chọn relay 12

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13

4.2.1 Sơ đồ nguyên lí 16

4.2.2 Khối cảm biến siêu âm 18

4.2.3 Màn hình hiển thị 19

4.2.4 Cơ cấu chấp hành 20

4.3 Thiết kế phần mềm 22

4.3.1 Lưu đồ thuật toán 22

4.3.2 Khối đo thời gian truyền 23

4.3.3 Khối điều khiển relay tự động 24

4.3.4 Khối điều khiển bằng tay 25

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ 26

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày, từng giờ và chúng ta - những con người của kỹ thuật cũng phải thay đổi tầm nhìn của mình để theo kịp công nghệ hiện đại Trọng tâm của khoa học kỹ thuật trong nền văn minh công nghiệp này đặt vào 5 lĩnh vực chính đó là công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ năng lượng, công nghệ sinh học và công nghệ tự động Từ khi VI ĐIỀU KHIỂN ra đời, nó đã tạo nên một bước ngoặc mới cho sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp,

sự xuất hiện của VĐK trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay đã chứng minh được điều đó.Hệ thống điều khiển dùng VĐK có khả năng chống nhiễu, khả năng giao tiếp công suất và tính đơn giản trong lập trình, khả năng tích hợp sâu vào trong các hệ thống nhúng Cùng với sự ra đời của các phần mềm giám sát và thu thập dữ liệu, VĐK đã trở thành sự lựa chọn hoàn hảo cho các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp

Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn… vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi

Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập vào thực tế, nhóm thực hiện đã lựa chọn đề tài “Đo mức nước dùng cảm biến siêu âm và điều khiển máy bơm nước”

Những kiến thức học được cùng với tài liệu tham khảo, tuy đã giúp hoàn thành bài tập lớn này song cũng không tránh khỏi sai sót, mong thầy và các bạn góp

ý để hoàn thiện hơn nữa

Để hoàn thành bài tập lớn này, chúng em nhận được sự chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Cảnh Quang Chúng em một lần nữa cảm ơn thầy

Nhóm sinh viên thực

hiện

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Với yêu cầu của đề tài trên, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ thống bồn nước, hệ thống bồn nước được hình thành với hệ thống bơm chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định được mực chất lỏng trong bồn được duy trì ổn định, chống tràn bể hoặc cạn bể Để làm được điều này, nó đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng

từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mực nước trong bồn luôn ở mức cho

phép.Việc điều khiển hệ thống để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành tự động điều khiển,

nó được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp.Vì vậy cần phải có những

bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy VĐK là một sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng trong công nghiệp với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao

Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách

để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước, nhưng ở đây chúng em sử dụng VĐK để điều khiển và cảm biến siêu âm để đo mức nước, có sử dung rơ le để điều khiển tốc độ của máy bơm nước

Sau khi xác định được đối tượng, chủ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng đắn cho quy trình thực hiện đề tài Mục tiêu đề tài cụ thể được thể hiện như sau:

- Thiết kế mạch đo dùng cảm biến SRF04 và điều khiển bơm nước

- Lập trình cho VĐK theo yêu cầu của đề tài, ổn định mức nước theo thông số cài đặt

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Phương pháp đo khoảng cách không tiếp xúc được hiểu là đo khoảng cách thực từ điểm tham chiếu tới một đối tượng không thông qua tiếp xúc vật lý Có ít

nhất bảy kỹ thuật đo khác nhau:

 Đo tam giác

 Thời gian truyền

 Đo dịch pha

 Điều biến tần số

 Giao thoa

 Hội tụ quét

 Cường độ tín hiệu trả về

Cảm biến dùng đo khoảng cách không tiếp xúc được phân chia thành hai loại: chủ động (phát một số dạng năng lượng vào khu vực quan tâm) hoặc thụ động (dựa trên năng lượng phát ra từ các đối tượng trong khu vực quan tâm)

Phương pháp đo tam giác dựa trên một tiền đề quan trọng của lượng giác học Theo tiền đề này, nếu biết trước độ dài củamột cạnh và hai góc của một tam giác thì có thể xác định được độ dài của các cạnh còn lại cũng như độ lớn của góc thứ ba

Đặc điểm làm việc của các hệ thống đo tam giác phụ thuộc vào việc hệ thống

đó là chủ động hay thụ động Các hệ thống thụ động sử dụng các camera thông thường và yêu cầu điều kiện chiếu sáng tốt, trong trường hợp ánh sáng môi trường quá tốithì cần phải dùng thêm ánh sáng nhân tạo Hơn nữa, các hệ thống này còn gặp khó khăn trong việc khớp các ảnh của mộtđiểm được thu bởi các camera khác nhau Ngược lại, các hệ thống chủ động chỉ sử dụng một bộ dò duy nhất và không yêu cầu nguồn chiếu sáng đặc biệt nào cũng như không gặp phải các vấn đề của hệ thống thụ động Tuy nhiên, trong số trườnghợp các hệ thống chủ động không hoạt động được, nguyên nhân là do không phản xạ được ánh sáng hoặc

do sự hấp thụ ánhsáng của bề mặt đối tượng

Độ chính xác của các hệ thống đo tam giác sẽ bị giảm khi khoảng cách đến đối tượng tăng Các hệ thống này cũng có sai số khi đo các góc θ và φ Ngoài ra, chúng cũng gặp khó khăn với hiện tượng “khuất vật”

Phương pháp thời gian truyền được minh họa trong hình Một sóng cửa (chỉ phát ra vài chu kỳ) được phát ra và phản xạ từ vật về bộ thu có vị trí gần bộ phát Bộ phát và bộ thu có thể được tích hợp trên cùng một cảm biến Bộ thu cũng có thể được gắn trên vật T là thời gian từ khi bắt đầu phát đến khi có tín hiệu trả

về, c là tốc độ truyền sóng Khoảng cách được xác định bằng công thức: d = c.T/2 khi bộ phát và bộ thu ở cùng một vị trí, hoặc d = c.T khi bộ thu được gắn trên vật Siêu âm, sóng rađiô, hoặc các nguồn năng lượng quang học thường được sử dụng; vì vậy các thông số liên quan đến việc tính toán khoảng cách là c tốc

độ của âm thanh trong không khí (gần 0.305 m/ms), và tốc độ của ánh sáng

Với các loại cảm biến tích cực (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộc không chỉ vào mức năng lượng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của đối tượng:

 Diện tích tiết diện ngang - xác định lượng năng lượng phát ra tác động vào đối tượng

 Hệ số phản xạ- xác định lượng năng lượng truyền tới được phản xạ

so với lượng năng lượng bị hấp thụ hoặc xuyên qua

 Độ tập trung - xác định khả năng phân bố lại của năng lượng phản xạ

Sai số của phương pháp thời gian truyền có thể do các nguyên nhân sau:

- Sự thay đổi tốc độ truyền sóng, đặc biệt là với các hệ thống âm thanh

- Không xác định chính xác được thời gian đến của xung phản xạ (Figueroa & Lamancusa, 1992)

- Sai số của mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền

- Sự tương tác của sóng tới với bề mặt của đối tượng cần đo khoảng cách

Trong đề tài này, đối tượng đo của chúng em là nước/chất lỏng Qua nghiên cứu một số phương pháp đo và ưu nhược điểm từng phương pháp, nhóm kết luận dùng phương pháp đo thời gian truyền là hợp lý và có độ tin cậy hơn cả

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐO TRONG ĐỀ TÀI

 Cảm biến siêu âm là loại cảm biến đo dùng sự phản xạ của sóng siêu

âm để đo khoảng cách, vị trí đối tượng, mức nước Đây là loại cảm biến dùng cho nhiều hệ thống như điều khiển quá trình, các hệ thống ứng dụng trong giao thông, robot Các hệ thống đo lường dùng cảm biến Ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống

Trong hệ thống của bọn em cần đo chính xác mức nước trong bình và phản hồi về

Từ đó đưa ra mức điều khiển cho máy bơm nước (Mô phỏng điều khiển sử dụng rơ le)

 Chọn cảm biến

Từ thực tế trên, Chúng em đã đi đến lựa chọn loại cảm biến siêu âm SRF04 Loại cảm biến này có những ưu điểm như:

- Nhỏ gọn, dễ sử dụng, phù hợp với sinh viên

- Được sử dụng rộng rãi tại thị trường Việt Nam

- Giá thành hợp lý

Cảm biến siêu âm SRF04

3.2.1 Tổng quan về vi điều khiển

Vi điều khiển là một con chip được ứng dụng nhiều trong các mạch điện tử,trong các hệ thống nhúng, các hệ thống điều khiển từ xa, các ứng dụng trong y khoa Có khả năng vượt bậc trong việc tính toán , xử lý.Chúng bao gồm nhân vi xử lý,

bộ nhớ, các cổng vào ra, bộ xử lý logic…

Vi điều khiển bản thân nó đã tích hợp được một số thành phần ngoại vi bên ngoài như bộ nhớ, ADC, các thiết bị ngoại vi khác, theo khuynh hướng systems on chip (SoC) Vi điều khiển đã là một hệ thống khá hoàn chỉnh với CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, các bộ định thời và mạch điều khiển, mạch điều khiển ngắt tích hợp bên trong mạch

Ở các bộ vi điều khiển, các tập lệnh thường rất mạnh trong việc xử lý các kiểu

dữ liệu nhỏ như bit hoặc một vài bit

Vi điều khiển ATmega8- 16PU

Ở đây chúng em dùng vi điều khiển ATmega8 16PU Tương ứng với xung thạch anh 16Mhz

3.2.3 Đặc điểm vi điều khiển ATmega8

Bit: Là vi điều khiển 8 bit

Clock: Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock

nội lên đến 8 MHz (sai số 3%)

Bộ nhớ: Bộ nhớ chương trình Flash 8 Kb có thể lập trình lại rất nhiều lần Có

SRAM (Ram tĩnh) 1 Kb, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM

Ngõ vào ra: (I/O Ports) 2 hướng (bi-directional), 23 pin

Ngắt: 2 ngắt ngoài, 19 vectors ngắt

Timer/counter: tích hợp PWM

ADC: Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh

Analog comparator: tích hợp module so sánh 2 điện áp analog

USART: Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)

TWI: Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và

Slaver

SPI: Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)

3.3.1 Màn hình LCD

Liquid-crystal display (LCD) là một loại tấm nền màn hình để hiển thị hình ảnh, video Liquid-crystal dùng để hiển thị, màn hình có sử dụng đèn nền để điều chỉnh

độ sang Phần Liquid-crystal không dùng để phát sang trực tiếp

Màn hình LCD đƣợc sử dụng rộng rãi trong giám sát, tivi, panel thiết bị, màn hình trong buồng lái máy bay Các ứng dụng gần gũi trong đời sống nhƣ màn hình trò chơi điện tử, điện thoại, video, đồng hồ, máy tính cầm tay

LCD có thể hiển thị hình ảnh tùy ý

Các tấm Panel màn hình LCD 3.3.2 Tại sao chọn LCD16x2

LCD 16x2

- Các đặc tính nổi bật

• 5 x 8 điểm ảnh, có dùng con trỏ

• Built-in controller (KS 0066 or Equivalent)

• + 5V power supply (Also available for + 3V)

• 1/16 duty cycle

• B/L to be driven by pin 1, pin 2 or pin 15, pin 16 or A.K (LED)

• N.V Dùng nguồn 3-5V

độ nhanh hay chậm Sử dụng nguyên lý điều khiển đổi nối Y–∆

Mạch động lực khởi động/điều khiển Sao – Tam giác

Dựa theo nguyên lý động lực khởi động hai cấp độ của động cơ 3 pha

Chúng em sử dụng bộ 3 relay 5V làm relay trung gian đóng cắt contactor để chuyển đổi giữa các cấp tốc độ

3.4.2 Chọn relay

Relay 5V- 10A Trong phần nay chúng em chọn loại relay 5V – 10A Có một số ưu điểm sau:

- Kích thước nhỏ gọn, thích hợp trong các mạch nhúng

- Sử dụng nguồn 5V phù hợp với yêu cầu thiết kế, mô phỏng

- Có giá cả phải chăng, được sinh viên sử dụng nhiều

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

4.1 Phần mềm sử dụng

4.1.1 Trình biên soạn và biên dịch

Chúng em sử dụng chương trình Atmel AVRstudio 6.2 để viết code và biên dịch chương trình

AVRstudio 6.2

Giao diện phần mềm

Atmel® Studio 6 là phần mềm tích hợp đầy đủ các thành phần cơ bản dành

cho người lập trình AVR từ hang Atmel Chuyên dùng để lập trình chương trình cho

các dòng chip ATmega của Atmel

Atmel® Studio 6 cung cấp một môi trường chuyên nghiệp cho người lập

trình Có tích hợp đầy đủ các thư viện, hàm hỗ trợ Để tạo các framework Cung cấp

các công cụ mạnh mẽ cho người lập trình, sử dụng ngôn ngữ C/C++ hoặc assembly

ASF là một thư viện khổng lồ với hàng ngàn source code , project được tạo

sẵn Khá dễ dàng để đưa ra sử dụng

4.1.2 Trình mô phỏng mạch điện

Chúng em sử dụng phần mềm mô phỏng proteus 7.8

Proteus 7.8

Giao diện phần mềm

Đây là phần mềm đã quá quen thuộc với sinh viên kỹ thuật

Ƣu điểm: Dễ sử dụng, giao diện than thiện

Nhƣợc điểm: Không có kho thƣ viện lớn Còn nhiều linh kiện không có sẵn

4.1.3 Trình thiết kế mạch in

Chúng em sử dụng phần mềm Ares Professional để thiết kế mạch in

Giao diện phần mềm 4.2 Thiết kế phần cứng

Sơ đồ nguyên lý:

4.2.2 Khối cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm SRF04 gồm có 4 chân:

- Gửi tín hiệu mức cao lên chân trigger trong 10uS

- Module cảm biến sẽ tự động gửi 8 xung siêu âm có tần số 40kHz và tín hiệu của chân echo sẽ chuyên lên mức cao ngay lập tức

- Khi sóng siêu âm phản xạ lại Module siêu âm nhận đƣợc xung phản xạ lại sẽ chuyển tín hiệu echo về mức thấp

- Từ đó vi điều khiển sẽ tính toán đƣợc khoảng thời gian từ lúc phát đến khi phản xạ

- Chân echo sẽ tự động chuyển xuống mức thấp sau 38uS nếu không có xung siêu âm phản xạ về

Đồ hình thời gian quá trình phát/thu sóng 4.2.3 Màn hình hiển thị

LCD 16x2

a) Sơ đồ chân

- D0-D7 : Chân dữ liệu

- E: chân cho/không cho giao tiếp với LCD

- RS: Chân qui định dữ liệu/lệnh gửi tới LCD

- RW: Chân qui định hướng truyền dữ liệu giữa LCD và vi điều khiển

b) Nguyên lý hoạt động

- Đường E cho phép hay không cho phép với LCD Nếu E=1 là cho phép, sau

đó kiểm tra trạng thái chân RS và RW Nêu E=0 là cấm E khởi tạo quá trinh truyền tín hiệu từ vi điều khiển đến LCD

- Đường RS qui định dữ liệu/lệnh được gửi tới LCD RS=1 Dữ liệu(ký tự) đang được viết lên LCD RS = 0 Lệnh đang được viết lên LCD

- Đường RW qui định hướng truyền dữ liệu giữa LCD và vi điều khiển Nếu RW=0 VĐK viết lên LCD RW=1 VĐK đọc dữ liệu từ LCD

- Chân D0-D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD, hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD Để hiển thị chữ cái và con số, chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái từ A-Z, a-f và các con số từ 0-9 đến các chân này khi bật RS=1

[√ ]

Ta thấy, khi động cơ mang tải, moment biến đổi tỉ lệ thuận với bình phương điện áp Về mặt lí thuyết, khi nối Y, điện áp đặt trên mỗi pha là

√ , như vậy Moment giảm tỉ lệ thuận với bình phương điện áp trên pha

Đặc tính cơ với U3 < U2 < U1